微波硫灯的仿真设计及动态测试

论文摘要

微波硫灯是上世纪90年代研制出来的新型光源。它是一种无极电光源,是通过磁控管产生电磁场能量激励谐振腔中的氩气和硫粉产生等离子体而发光,其光谱和太阳光谱非常接近。与其他光源相比,微波硫灯具有光效高,显色性能好,光通量高,绿色环保等性能,因此非常适合在大面积的室内照明和室外照明中使用。广东美的集团对微波进行了自主研发,其生产的硫灯基本达到国际同等水平。然而,由于微波硫灯的成本、散热、稳定性等问题制约了它的发展,导致目前微波硫灯还不能被广泛的使用。本论文是基于美的集团研发的微波硫灯基础之上做的研究。本论文介绍了微波硫灯的背景和国内外发展动态,并对微波硫灯的组成结构及各部分作用作了详细的阐述。另外还从理论上对发光机理进行了研究。本人的工作主要有以下几个方面:1.对微波硫灯冷状态下的高频系统进行了仿真优化。通过仿真得到谐振腔和波导的电磁场分布,确定谐振腔的模式为TE111模,并对网罩壁烧黑现象原因进行了分析。通过对谐振腔的高度优化,得到当频率为2.458GHz时,在冷状态下灯泡周围的电场强度最大为3722V/m。此时谐振腔高度为131.5mm。对调谐块的尺寸优化得到调谐块尺寸为:宽21mm,厚度为9.5mm,高度为40mm时,灯泡周围电场强度达到3781V/m。2.对微波硫灯热状态进行动态测试。结合测试得到的输入驻波系数和微波硫灯的发光原理对微波硫灯的启动过程进行了研究,将微波硫灯的启动过程分为四个阶段:准备期、快速放电期、硫等离子体发光期和稳定期。分析了启动过程中的准备期和快速放电期对硫灯的磁控管以及网罩造成的影响,并分别提出了保护磁控管和网罩的解决方法。另外本文还针对微波硫灯散热困难,电源效率低等缺点,提出了采用开关电源代替双变压器电源并进行了对比测试,通过测试得到微波硫灯在开关电源下工作的性能比在双变压器电源下的性能更好。3.对微波硫灯进行了热状态仿真。根据热状态测试得到的驻波系数等参数对热状态下灯泡内等离子体的参数进行模拟仿真,使得模拟结果和实验结果一致时对应的等离子体参数即为热状态等离子体的等效参数。其等效值为:等离子体频率9.5GHz,碰撞频率12GHz.对微波硫灯热状态下最小反射系数的条件做了探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景介绍
• 1.1.1 电光源的发展及分类
• 1.1.2 微波硫灯的性能特点
• 1.2 微波硫灯国内外发展动态
• 1.2.1 国外发展动态
• 1.2.2 国内发展动态
• 1.3 微波硫灯的工程应用
• 1.4 本论文研究内容
• 第二章 微波硫灯的组成及发光原理分析
• 2.1 微波硫灯的组成结构与工作原理
• 2.1.1 磁控管
• 2.1.2 波导
• 2.1.3 谐振腔
• 2.1.4 灯泡及发光物质
• 2.1.5 电源
• 2.2 微波硫灯的发光机理
• 2.2.1 硫的物理性质
• 2.2.2 硫高聚物解离过程分析
• 2分子能级间的激励过程分析'>2.2.3 S₂分子能级间的激励过程分析
• 2分子能级结构及光谱特性'>2.2.4 S₂分子能级结构及光谱特性
• 2.3 小结
• 第三章 微波硫灯冷状态仿真优化
• 3.1 仿真软件简介
• 3.1.1 CST 工作室的分类和特点
• 3.1.2 仿真求解的步骤
• 3.2 仿真模型建立
• 3.3 仿真结果
• 3.3.1 波导（传输线）的内电磁场分布
• 3.3.2 谐振腔内的电磁场分布
• 3.3.3 传输线和谐振腔的反射系数511
• 3.4 仿真优化
• 3.4.1 谐振腔高度和谐振腔半径对谐振频率的影响
• 3.4.2 谐振腔高度对灯泡周围的电场大小的影响
• 3.4.3 调谐块对电场强度的影响
• 3.5 小结
• 第四章 微波硫灯热状态动态测试及结果分析
• 4.1 微波硫灯热状态动态系统介绍
• 4.1.1 测试系统的组成
• 4.1.2 测试系统的测试内容
• 4.2 实验结果分析
• 4.2.1 微波硫灯启动过程研究
• 4.2.2 启动过程对磁控管和谐振腔（网罩）的影响
• 4.2.3 不同电源功率下启动参数比较
• 4.2.4 双变压器全波整流电源和开关电源比较
• 4.3 小结
• 第五章 微波硫灯热状态仿真分析
• 5.1 等离子体概念及特性
• 5.1.1 等离子体振荡频率
• 5.1.2 电子碰撞频率
• 5.1.3 等离子体相对介电常数
• 5.2 微波硫灯热状态仿真模型建立
• 5.3 热状态仿真结果
• 5.3.1 微波硫灯热状态下等离子体等效参数确定
• 5.3.2 微波硫灯热状态下谐振腔的场分布
• 5.3.3 微波硫灯热状态下最小反射系数的优化
• 5.4 小结
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果