СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ВОЗБУДИТЕЛЬ БЕЗЭЛЕКТРОДНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ Российский патент 2001 года по МПК H01J65/04 H01P5/103 

Настоящее изобретение относится к области техники сверхвысоких час тот (СВЧ), в частности к элементам коаксиальных линий передачи энергии СВЧ-электромагнитных колебаний. В более узком приложении изобретение относится к устройствам СВЧ-накачки безэлектродных газоразрядных источников оптического излучения, применяемых в светильниках и облучателях.

Известны устройства СВЧ-возбудителей безэлектродных газоразрядных ламп, излучающих в видимой и ультрафиолетовой (УФ) областях спектра. В числе таких устройств, обладающих теми или иными признаками, сходными с предлагаемым нами объектом, следует отметить безэлектродный источник света по патенту США N4189661 от 19.02.1980; авторы Haugsjaa и др. - [1]. В этом устройстве СВЧ-энергия накачки передается безэлектродной лампе посредством участка коаксиальной линии, центральный проводник которой имеет выступающий из открытого выходного конца линии излучатель. Однако это устройство не содержит каких бы то ни было конструктивных элементов, обеспечивающих введение энергии в указанный участок коаксиальной линии. Представлена лишь условная схема подключения некоего источника СВЧ-энергии к условным же "клеммам" участка коаксиальной линии.

Другим известным аналогом предлагаемого нами устройства является объект, защищенный патентом США N 5448135 от 05.09.1995 г. Автор Simpson J.E. [2]. В этом объекте конструкция СВЧ-возбудителя безэлектродной лампы использует волноводный тракт, канализирующий через развязывающий вентиль СВЧ-энергию от магнетрона. Указанный волноводный тракт снабжен на выходном конце волноводно-коаксиальным переходником. При этом коаксиальный участок переходника имеет открытый выходной конец, состыкованный со светопрозрачным СВЧ-резонатором, внутрь которого сквозь рефлектор и стенку резонатора введена безэлектродная лампа, имеющая колбу сферической формы. Лампа расположена у открытого конца коаксиального участка упомянутого переходника и, находясь в СВЧ-поле, приводится во вращение вокруг оси, перпендикулярной оси центрального проводника коаксиального участка. Это вращение лампы осуществляется от электродвигателя, на валу которого закреплен принадлежащий лампе кварцевый стержень- держатель, несущий сферическую колбу лампы. Для охлаждения вращаемой сферической колбы в теле центрального проводника коаксиального участка вдоль его оси выполнена цилиндрическая полость, перекрытая на одном конце (т.е. несквозная) торцевым дырчатым соплом, формирующим n-струйный воздушный поток при введении в центральный проводник с противоположного конца охлаждающего воздуха.

Рассмотренный аналог по [2] обладает тем достоинством, что не требует введения дополнительных сопел или патрубков для воздушного охлаждения. Однако существенными недостатками устройства [2] являются следующие.

Во-первых, громоздкость устройства в целом, связанная с необходимостью использования прямоугольного волновода и волноводно-коаксиального переходника и с невозможностью непосредственного использования коаксиального СВЧ-тракта.

Во-вторых, сложность и неоптимальность конструкции, связанная с необходимостью введения безэлектродной лампы и ее стержня-держателя в СВЧ-резонатор сквозь окно в его светопрозрачной стенке и сквозь окно в стенке внешнего рефлектора-формирователя светового потока. Эти окна искажают распределение светового потока и повышают уровень вредных СВЧ-излучений в окружающую среду.

Первый из указанных недостатков устранен в известной и выбранной в качестве прототипа конструкции устройства, защищенного патентом США N 5525865, кл. 315-39 (H 01 J 65/04) от 11.06.1996. Автор Simpson J.E [3]. Из конструктивных особенностей устройства [3], имеющих отношение к предлагаемой нами конструкции, необходимо выделить следующие.

Устройство содержит отрезок коаксиальной линии передачи, на выходном конце которой наружный проводник сочленен со светопрозрачным СВЧ-экраном, образующим наружную стенку СВЧ-резонатора. В СВЧ-резонаторе расположена безэлектродная лампа сферической формы, снабженная диэлектрическим стержнем-держателем, ось которого перпендикулярна оси коаксиальной линии передач. Указанный держатель проходит сквозь стенку СВЧ-резонатора наружу и сочленяется с двигателем, приводящим лампу во вращение. Сфера лампы расположена с некоторым зазором у торца центрального проводника коаксиальной линии передачи. Выходной конец указанной ко аксиальной линии состыкован без использования развязки (вентиля или циркулятора) посредством коаксиального СВЧ-адаптера с выходным устройством магнетрона. При этом в [3] предусмотрены различные варианты исполнения форм входного конца коаксиальной линии передачи на стыке с СВЧ-адаптером и с магнетроном. В частности, схематично представлены варианты контактной и безконтактной стыковки центрального проводника коаксиальной линии передачи с СВЧ-адаптером или с выходным устройством магнетрона. При этом в варианте безконтактной стыковки центрального проводника последний закреплен посредством диэлектрической центрирующей опорной шайбы. Как и в аналоге [2], в указанном центральном проводнике вдоль его оси выполнена цилиндрическая полость, перекрытая (т.е. несквозная) торцевым дырчатым соплом, направляющим воздушный поток на вращаемую сферу лампы.

Для подвода охлаждающего воздуха предусмотрен патрубок, введенный в СВЧ-адаптер.

Конструкция [3] , обладая несомненным достоинством в компактности устройства в целом, полностью сохраняет второй недостаток, отмеченный нами выше применительно к устройству [2]. Тем не менее, по большинству признаков устройство [3] можно признать прототипом.

В прототипе [3], как и в аналогах [1,2], не предусмотрены средства фильтрации или снижения уровней СВЧ-излучений на частотах гармоник рабочей частоты накачки.

Конечной общей целью настоящего изобретения является создание компактного устройства СВЧ-возбудителя безэлектродных газоразрядных ламп, свободного от недостатков прототипа и, в частности, обеспечивающего пониженный уровень СВЧ-излучений в окружающую среду на рабочей частоте и на частотах побочных колебаний и, одновременно, повышенную пространственную однородность распределения оптического излучения.

Идеология построения СВЧ-возбудителя, отвечающего указанной цели, предусматривает использование в приборе вращаемой безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампы, светопрозрачного СВЧ-резонатора с азимутально-симметричной топографией СВЧ-поля и коаксиального СВЧ-тракта, совокупность элементов которого (само их конструктивное исполнение и взаиморасположение) обеспечивает необходимое и достаточное совмещение всех электродинамических, механических, теплотехнических, световых и экологических функций.

Техническими результатами осуществления предлагаемого изобретения являются:
1. Малогабаритность устройства в целом;
2. Улучшенная пространственная однородность распределения потока оптического излучения, что особенно важно при построении проекционных и световодных систем;
3. Уменьшенные вредные СВЧ-излучения на рабочей частоте и частотах гармоник, особенно - на частотах четных гармоник, что важно с позиций биологической безопасности и электромагнитной совместимости;
4. Расширенные возможности использования СВЧ-возбудителя совместно с различными формирователями потока оптического излучения, что важно с позиций создания новых модификаций осветительных и облучательных устройств.

Поставленная цель и указанные технические результаты достигаются тем, что в СВЧ-возбудителе безэлектродной газоразрядной лампы, содержащем коаксиальную линию передачи, центральный проводник которой снабжен участком, выступающим за пределы выходного конца наружного проводника, коаксиальная линия на ее входном конце снабжена трехплечим разветвителем, в котором вдоль общей оси с коаксиальной линией размещены выходное плечо и плечо с короткозамыкателем, имеющие общие, с коаксиальной линией наружный и центральный проводники, а входное плечо расположено вдоль оси, пересекающей общую ось короткозамкнутого и выходного плеч разветвителя на расстоянии четверти рабочей длины волны от короткозамыкателя.

Дополнительно предусмотрено выполнение в СВЧ- возбудителе центрального проводника, являющегося общим для короткозамкнутого и выходного плеч разветвителя, а также для коаксиальной линии, в виде трубки. Внутри этой трубки вдоль ее оси размещается с возможностью вращения вокруг этой оси присоединительная муфта для безэлектродной лампы.

Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции СВЧ-возбудителя с уровнем техники и отсутствие описания аналогичного технического решения в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию "новизна". Заявленное устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлено в продольном разрезе предлагаемое устройство СВЧ-возбудителя в сборе.

На фиг.2а, б, в показаны схематично фрагменты СВЧ-возбудителя в вариантах исполнения.

В соответствии с идеей построения СВЧ-возбудителя, являющегося предметом изобретения, на фиг.1 показаны коаксиальная линия передачи 1, содержащая наружный проводник 2 и центральный проводник 3, имеющий участок 4, выступающий из выходного конца 5 коаксиальной линии передачи 1. Этот выходной конец 5 коаксиальной линии 1 и, в частности, выступающий участок 4 ее центрального проводника 3, играет роль СВЧ-излучателя. При этом центральный проводник 3 зафиксирован на входном конце 6 коаксиальной линии передачи 1 посредством диэлектрической (например, слюдяной) опорной шайбы 7. Входной конец 6 коаксиальной линии передачи 1 снабжен трехплечим СВЧ-разветвителем 8, обычно называемым "коаксиальным тройником". Сопряжение тройника 8 и, в частности, его выходного плеча 9, с входным концом 6 коаксиальной линии передачи 1, может быть выполнено дроссельным, дроссельно-контактным, контактным, разъемным или неразъемным и т.п., что не меняет сути изобретения. На фиг.1 для конкретизации конструктивного исполнения и с учетом удобства сборки-разборки устройства (по деталям, узлам и в целом), а также для обеспечения возможности использования специфических элементов, не являющихся предметом настоящего изобретения, но важных с позиции расширенной применимости СВЧ-возбудителя, представлено контакто-разъемное сопряжение выходного плеча 9 тройника 8 с входным концом 6 коаксиальной линии передачи 1. Контактно-разъемное сопряжение осуществлено в приведенной конструкции за счет резьбовых сочленений как с наружным 2, так и с центральным 3 проводниками коаксиальной линии передачи 1.

В конструкции трехплечего СВЧ-разветвителя (тройника) 8, как показано на фиг. 1, центральный проводник 10, состыкованный в выходном плече 9 с центральным проводником 3 коаксиальной линии передачи 1, выполнен простирающимся вдоль ее оси во второе, короткозамкнутое плечо 11. Аналогичным образом выполнен и наружный проводник 12 тройника 8, состыкованный с наружным проводником 2 коаксиальной линии передачи 1. Отметим, что как наружные проводники 2 и 12, так и центральные проводники 3 и 10, могут быть выполнены в форме неразъемных элементов, т.е. зацело. Короткозамыкатель 13 в плече 11 тройника 8 выполнен гальванически контактирующим (например, посредством пайки) с центральным 10 и с наружным 12 проводниками тройника 8 в его плече 11. Этим обеспечивается силовое механическое крепление центральных проводников 3, 10.

На расстоянии λ/4 (где λ - рабочая длина волны) от короткозамыкателя 13 выполнено третье (входное) плечо 14 трехплечего разветвителя 8, т.е. ось плеча 14 пересекает общую ось плеч 9, 11 на расстоянии λ/4 от короткозамыкателя 13. Тем самым плечо 11 является четвертьволновым короткозамкнутым шлейфом. Выбор длины короткозамкнутого плеча 11, равной λ/4, принципиален, т. к. при этом трехплечий разветвитель 8 наделяется функциями СВЧ-фильтра четных гармоник рабочей частоты. Это означает, что в выход ном плече 9 тройника 8 и далее на выходном конце 5 линии передачи 1 СВЧ-сигнал накачки будет характеризоваться пониженным уровнем помеховых составляющих.

Входное (третье) плечо 14 разветвителя 8 содержит центральный проводник 15, гальванически контактирующий (например, посредством пайки) с центральным проводником 12 разветвителя 8.

На фиг. 1 ось входного плеча 14 расположена перпендикулярно общей оси плеч 9 и 10. Это, однако, не является обязательным. При необходимости ось входного плеча 14 может быть расположена наклонно к общей оси плеч 9, 11 (фиг. 2в). Входное плечо 14, предназначенное для стыковки с источником СВЧ-энергии накачки, снабжено коаксиальным СВЧ-разъемом 17, который для конкретности показан на фиг. 1 в исполнении, содержащим скользящий разъемный контакт 18 центрального проводника 15 плеча 14 с центральным проводником 19 коаксиального СВЧ-адаптера 20. В СВЧ-разъеме 17 выполнен резьбовой контакт 21 наружного проводника 16 плеча 14 с наружным проводником 22 коаксиального СВЧ-адаптера 20. Указанный СВЧ-разъем 17 плеча 14 может быть выполнен дроссельным или комбинированным (дроссельно-контактным), что не меняет сущности изобретения, поэтому варианты исполнения СВЧ-разъема 17 здесь не рассматриваются.

Детальное устройство коаксиального СВЧ-адаптера 20, предназначенного для электродинамической связи СВЧ-возбудителя с источником СВЧ-энергии, мы оставляем вне рассмотрения, поскольку применительно к предмету настоящего изобретения существенно лишь то, что СВЧ-адаптер 20 выполнен как элемент, принадлежащий входному плечу 14 и состыкован с его разъемом 17. Из аналогичных соображений лишь схематично показан на фиг.1 упомянутый источник СВЧ-энергии 23, в качестве которого здесь (как и во многих других устройствах, например, в микроволновых печах, СВЧ-стерилизаторах и т.п.) использован магнетрон непрерывного действия, т.н. "печной магнетрон".

На фиг. 1 применительно к использованию предлагаемого устройства для СВЧ-возбуждения безэлектродных газоразрядных ламп представлены нижеследующие элементы и позиции.

Так в состыкованных вдоль общей оси центральных проводниках 10 и 3 соосно выполнена сквозная цилиндрическая полость 24, чем образована трубка, внутри которой соосно размещен с возможностью вращения узел 25, состоящий из собственно безэлектродной газоразрядной лампы 26, снабженной диэлектрическим (например, кварцевым) держателем 25, закрепленным (например, посредством клея-цемента) в металлической присоединительной муфте. Муфта 28, в свою очередь, соосно посажена и закреплена на валу 29 электродвигателя 30. Двигатель 30 показан условно, а элементы его крепления и юстировки не показаны вовсе, как не имеющие защищаемых настоящим изобретением признаков. Столь же условно и схематично на фиг.1 показан фланец 31, расположенный на наружном проводнике 12 у выходного плеча 9 разветвителя (тройника) 8. Этот фланец 31 предназначен для крепления светопрозрачного СВЧ-экрана 32, образующего СВЧ-резонатор, и для установки рефлектора 33 - формирователя потока оптического излучения.

Показанные и непоказанные на фиг.1 крепежные детали пояснения не требуют. Следует отметить лишь, что в муфте 28, центральном проводнике 10 и наружном проводнике 12 выполнены соответственно отверстия 34, 35, 36. В отверстие 36 введен световод 37 - транслятор информации о наличии света и вращения лампы. Устройства сбора и обработки этой информации и органы управления и схемы не показаны.

Следует отметить, что СВЧ-возбудитель предложенной конструкции в "усеченном" виде, не противореча сущности изобретения, может быть применен для питания СВЧ-энергией не только безэлектродных газоразрядных ламп, но и рабочих камер СВЧ-печей и других устройств, в чем состоит его универсальность. Так, в отсутствие позиций 25, 30, 32, 33 и состыковывая фланец 31 с рабочей камерой СВЧ-печи (вместо рефлектора 33), получим СВЧ-возбудитель последней.

На фиг. 2 показаны некоторые возможные варианты исполнения элементов СВЧ-возбудителя.

На фиг.2а показана коаксиальная линия передачи 1, центральный проводник 3 которой на выступающем участке 4 выполнен в форме контрзеркала 38, отражающего излучения лампы 26, направленные в сторону выходного конца 5 коаксиальной линии передачи 1, обратно в центр лампы 26. Этим достигается улучшенное формирование светового потока.

На фиг.2б, тот же выступающий участок 4 центрального проводника 3 коаксиальной линии передачи 1 показан в исполнении, соответствующем наличию вблизи лампы 26 деконцентратора электрического СВЧ-поля 39. Скругленная форма этого деконцентратора 39 способствует повышению "пробивной" электрической прочности выходного конца 5 коаксиальной линии передачи 1, что особенно важно, если есть необходимость в повышении мощности СВЧ-накачки.

На фиг.2в схематично показано устройство с наклонной осью входного плеча 14 тройника 8.

Предложенное устройство работает следующим образом. При включении магнетрона 3 - источника СВЧ-накачки - мощность поступает через СВЧ-адаптер 20 и СВЧ-разъем 17 во входное плечо 14 трехплечего СВЧ-разветвителя 8. Короткозамкнутое четвертьволновое плечо 11 на рабочей частоте имеет бесконечно большое входное сопротивление и, тем самым, не влияет на распространение волны в выходное плечо 9. Однако для частот 2-й 4-й и других четных гармоник входное сопротивление короткозамкнутого плеча 11 стремится к нулю. Тем самым электромагнитные колебания четных гармоник, содержащиеся в спектре "сигнала", генерируемого магнетроном 23, отфильтровываются и не проходят в выходное плечо 9 разветвителя 8. Это означает, что и в сигналах, просачивающихся сквозь СВЧ-экран 32 в окружающую среду, уровень паразитных излучений на частотах четных гармоник будет существенно пониженным, а следовательно, будут достигнуты улучшенные качества устройства в целом в части требований электромагнитной совместимости.

СВЧ-энергия накачки из выходного плеча 9 разветвителя 8 поступает в коаксиальную линию передачи 1 и излучается из ее выходного конца 5 с выступающим участком 4 центрального проводника 3. Эта излученная СВЧ-энергия возбуждает в СВЧ-резонаторе, пространственно ограниченном светопрозрачным СВЧ-экраном 32, рабочий вид колебаний, в электромагнитном поле которого "зажигается" разряд лампы 26. При включенном электродвигателе 30 происходит вращение узла 25, а, следовательно, лампы 26, чем достигается требуемая равномерность распределения температуры оболочки лампы 26 и свечения плазмы рабочего вещества- наполнителя. При "горении" разряда в лампе 26 свет проникает по кварцевому стержню-держателю 27 в муфту 28 и через отверстие 34 вращающейся муфты 28, отверстие 35 в неподвижном центральном проводнике 10, отверстие 36 в наружном проводнике 12 в световод 37. Из-за вращения муфты 28 отверстие 34 засвечивает световод 37 периодическим (промодулированным) светом. Модулированный свет через световод 37 поступает в непоказанный на фиг.1 фотоприемник и несет информацию о "нормальном" режиме работы устройства в целом.

Погасание лампы 26, самопроизвольное (или аварийное) прекращение вращения узла 25 (его пробуксовка на валу 29) или работы двигателя 30 приведет к искажению или исчезновению модулированного информационного светового сигнала, и непоказанная на фиг. 1 схема управления произведет выключение магнетрона и цепи питания.

Таким образом, СВЧ-возбудитель выполняет необходимые функции и обладает достоинством в соответствии с целями изобретения.

Литература
1. Патент США N 4189661 от 19.02.1980. Автор Haugsjaa и др.

2. Патент США N 5448135 от 05.09.1995. Автор Simpson J.E.

3. Патент США N 5525865 НКИ: 315-39 (МКИ: H 01 J 65/04) от 11.06.1996. Автор Simpson J.E. - прототип.

Предлагаемое изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и, в частности, к устройствам СВЧ-накачки безэлектродных газоразрядных источников оптического излучения, применяемых в светильниках и облучателях. Технический результат заключается в создании компактного устройства, одновременно обеспечивающего: улучшенную пространственную однородность распределения потока оптического излучения; уменьшение вредных СВЧ-излучений на рабочей частоте и частотах гармоник; возможность использования СВЧ-возбудителя совместно с различными формирователями потока оптического излучения. Устройство содержит коаксиальную линию передачи, центральный проводник которой снабжен участком, выступающим за пределы выходного конца наружного проводника, коаксиальная линия на ее входном конце снабжена трехплечим разветвителем, в котором вдоль общей оси с коаксиальной линией размещены выходное плечо и плечо с короткозамыкателем, имеющие общие с коаксиальной линией наружный и центральный проводники, а входное плечо расположено вдоль оси, пересекающей общую ось короткозамкнутого и выходного плечи разветвителя на расстоянии четверти рабочей длины волны от короткозамыкателя. Предусмотрено выполнение центрального проводника, являющегося общим для короткозамкнутого и выходного плеч разветвителя, а также для коаксиальной линии, в виде трубки, внутри которой вдоль ее оси размещается с возможностью вращения вокруг этой оси присоединительная муфта со стержнем-держателем. 2 ил.

Сверхвысокочастотный возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы, содержащий коаксиальную линию передачи, центральный проводник которой снабжен участком, выступающим за пределы выходного конца наружного проводника, отличающийся тем, что коаксиальная линия на ее входном конце снабжена трехплечим разветвителем, в котором вдоль общей оси с коаксиальной линией размещены выходное плечо и плечо с короткозамыкателем, имеющие общие с коаксиальной линией наружный и центральный проводники, а входное плечо расположено вдоль оси, пересекающей общую ось короткозамкнутого и выходного плеч разветвителя на расстоянии четверти рабочей длины волны от короткозамыкателя, причем общий центральный проводник коаксиальной линии передачи, выходного и короткозамкнутого плеч разветвителя выполнен в виде трубки, внутри которой вдоль оси размещена с возможностью вращения вокруг этой оси присоединительная муфта со стержнем-держателем безэлектродной лампы.