袁家德 陈和平 林国庆 张文雄

摘 要：微波等离子灯（MW-LEP）是一种具有高显色指数的无极电光源。介绍了固态微波源驱动等离子灯的发展概况及组成结构，重点讲述该类灯目前出现的三种灯体结构及其微波谐振原理，指出固态微波源驱动等离子灯的独特优点、局限性及应用前景。

关键词：微波等离子灯；固态微波源；谐振腔

引言

微波等离子灯是利用微波能激发等离子体发光的无极放电光源，具有显色指数高、光色好、长寿命，低光衰等一系列优点，被认为是21世纪最有前景的第四代新型光源之一[1-4]。目前，微波能的发光效率可达到150lm/w以上[5]，未来充分利用微波能发光原理将有很强的竞争力，具有更加广泛的应用领域。

1993年美国Fusion公司开发了第一代微波等离子灯样品--微波硫灯，此后，不断有微波硫灯新产品投放市场，其功率一般在千瓦级以上，特别适合大范围照明。微波硫灯主要由五部分组成，包括电源控件、磁控管、传输波导、金属网罩（谐振腔）及玻璃泡，其中所用微波源是中心频率2.45 GHz的磁控管，该技术目前已较为成熟，具有较高的电源-微波转换效率。但微波硫灯也存在明显的缺点，如玻璃泡需要高速电机带动旋转，难以实现小功率常规照明等，限制了该灯的广泛应用。

为了充分利用微波能驱动等离子体的优异发光性能，克服微波硫灯的缺点，研发工程师们开始用固态微波源来取代微波硫灯中的磁控管，实现小功率，长寿命的照明。固态微波源驱动等离子灯主要有四部分组成，包括电源、射频功率源、微波谐振腔和灯泡。由于工作频率越低，射频功率源把电能转化成微波能的效率就越高，微波能在传输线和谐振腔内的损耗就越小，微波辐射的防护就越容易。因此，目前美国Luxim公司和Topanga公司固态微波源驱动等离子灯工作频率均为433MHz附近[6-9]。

根据微波谐振腔理论可知，工作频率的降低对应于谐振腔体尺寸的变大，如433MHz频率对应于正方体空气谐振腔的边长将大于400 mm，如此大尺寸不仅将增加材料成本，也限制了该类灯的广泛应用，因此，固态微波源驱动等离子灯的灯体结构设计是其关键技术之一。目前，致力于研究固态微波源驱动等离子灯的单位有美国Luxim公司、Topanga公司及日本静冈大学等，本文重点从灯体结构小型化设计的角度出发，介绍固态微波源驱动等离子灯的技术进展，分析固态微波源驱动等离子灯的优势、局限性及发展前景。

1 Luxim 等离子灯

美国Luxim公司最新研制的STA-41系列固态微波源驱动等离子灯已面向市场。长方体灯体尺寸约为56mm×52mm×55mm，显色指数高达95，其公布的光效约为82.1 流明/瓦。图1为该等离子灯的外型图，灯体是由一石英玻璃泡嵌在陶瓷谐振腔中，灯体用同轴探针馈电。

该型号等离子灯采用了两方面的措施来缩减灯体尺寸。一方面在腔体内填充低损耗、高介电常数的微波材料。腔体内填充的介质为Al2O3和TiO2的混合物，其中TiO2的比例约为1%，目的是平缓温度的升高对材料介电常数的影响，复合材料的相对介电常数约为9.2。另一方面是灯体内谐振结构的设计，如图2所示，其内部结构主要由两对称的L形金属薄板ABC和A'B'C'（图2为剖面图）及馈电探针DE组成，其中A点和A'点短接腔体外壳，电流较大，AB和A'B'段附近磁场较强，可等效为电感；导体板BC和B'C'间电场较强，等效为电容，从而形成一等效的谐振结构，该谐振结构的谐振频率远低于谐振腔的基模振荡频率。影响谐振频率的因素包括AB（A'B'）的长度，BC与B'C'间距及L形金属薄板宽度等。这些因素因影响内部谐振结构等效电容和电感的大小，从而影响其谐振频率，例如，BC与B'C'金属板越长、越宽、BC与B'C'间距离越小，则谐振频率越低。

Luxim公司设计的微波等离子灯结构紧凑，具有长寿命、高显色指数等特点，适合应用于建筑物照明、街道和公园照明等。

2 Topanga 等离子灯

美国Topanga公司研制的新产品采用同轴腔激荡原理的新技术，实现了灯体的小型化和微波能量向灯泡的高效耦合。图3为Topanga灯实物图，工作频率在433 MHz附近，该圆柱形灯体的内直径约为57mm，高度约为75mm。图4是Topanga微波等离子灯内部谐振结构示意图[8，9]。

图4中，AB是馈电探针，其中A端与腔体外壳短接，B点是同轴馈电端口，即微波能量从B点输入灯体内。圆柱腔体中心的导体圆柱CD是能量输出耦合单元，把微波能量输出并耦合进入灯泡，其中D点与腔体外壳底部短接（相当于短路，电位为0），在D点将产生较强的电流，在其周围有较强磁场，可等效为电感；输出耦合单元C点处开路，电位很高，其较高的电位与腔体外壳之间将产生很强的电场，具有电容效应。图4中内部结构设计能形成新的电磁振荡，其谐振频率远小于空心圆柱谐振腔的工作頻率，从而可实现微波等离子灯体的小型化。同时该设计把灯泡设置于灯体外面，灯泡发光可最大限度照射向周围空间，有等于提高整灯的光效。

与Luxim STA-41-01系列微波等离子灯相比，Topanga公司设计的灯体内无需填充微波介质材料，降低了加工和材料成本，减小了腔体内的微波损耗，具有较高的发光效率。该灯适合应用于街道和公园的路灯、车灯和农业生产等照明。

3 AEMD等离子灯

日本静冈大学的科学家们研究了一款AEMD灯（Antenna Excited Microwave Discharge），该灯致力于点光源的研究。由于等离子体光源的光色好，目前该光源已被部分应用于日本FUTEC公司的投影设备上。

AEMD灯用2.45GHz固态微波源驱动，对称的偶极子天线插入灯泡内，但金属天线没有裸露在灯泡内，而是嵌在石英内，因此AEMD仍属于无极灯，如图5所示。通过调节图中L的大小，使天线处于最佳谐振状态，两天线之间的电场最强，激发灯泡内的填充物质，产生等离子体而发光[10]。

ADMD灯耦合天线直接把微波能量馈入灯体中心，可减小灯泡的受热，避免灯泡可能因受热不均而损坏。由于该灯的工作频率在2.45GHz附近，通过控制天线间隙，很容易制成高质量的点光源，缺点是该灯工作频率高，电能转化成微波能的效率较低，系统光效比上述两种微波等离子灯要低得多，适合应用于对点光源和光色有特殊要求的照明设备。

4 结束语

固态微波源驱动等离子灯具有很多优点，如发光体体积较小、光色好、光衰和寿命指标突出、可实现小功率等。但也存在一定的局限性，比如目前灯发光仍不够完全稳定，电源-微波转换效率还不够理想，该灯的系统光效仍然不够高，与目前的无极灯和LED灯相比，仍不具备明顯的竞争优势等。但由于微波能转化成光能产生的光效非常高，随着科学技术的不断进步，微波离子灯将逐步体现其潜在的价值和用途。

参考文献

[1]诸葛天祥，微波等离子灯的仿真优化和设计开发，硕士学位论文，电子科技大学，2008.

[2]许丽梅， 曾葆青， 黎晓云. 微波硫灯的技术进展和发展动态， 微波学报，2010.8，729-732.

[3]彭妙颜. 基于微波触发耦合的等离子体无极光源技术，中国照明电器，2010.12：10-14.

[4]龙奇，陈大华. 微波光源发光原理及其应用前景，中国照明电器，2004.4：1-6.

[5]R. P. Gilliard， DeVincentis， Abdeslam Hafidi， et al. Operation of the LiFi Light Emitting Plasma in Resonant Cavity. IEEE Transactions on Plasma Science， 2011， 39（4）： 1026-1033.

[6]Abdeslam Hafidi， Dan O. Hare and Marc D. Vincentis. Plasma lamp having tunable frequency dielectric waveguide with stabilized permittivity. U.S. Patent US8188662B2， May 29， 2012.

[7]Abdeslam Hafidi， Dan O. Hare， Richard P. Gilliard et al. Electrodeless lamps and methods. U.S. Patent US8143801B2， Mar. 27， 2012.

[8]Frederick M. Espiau， Timothy J. Brockett Brockett， Mehran Matloubian， et al. Electrodeless lamps with grounded couping elements and improved bulb assemblies. U.S. Patent US2010/0134008 A1， Jun. 3， 2010.

[9]Frederick M. Espiau， Timothy J. Brockett and Mehran Matloubian. Electrodeless lamps with coaxial type resonators/waveguides and grounded coupling elements. U.S. Patent US2012/0242223 A1， Sep. 3， 2012.

[10]M. Kando， T. Fukaya， Y. Ohishi1， et al. Application of an antenna excited high pressure microwave discharge to compact discharge lamps. JOURNAL OF PHYSICS D： APPLIED PHYSICS， 2008， 41（2008）： 1-10.