CN100483933C - 场致发射射频放大器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种场致发射RF放大器。该场致发射RF放大器包括衬底上的RF放大单元。该RF放大单元包括阴极，形成在衬底上；栅极，形成在衬底上的阴极旁边并以预定距离与阴极隔开；阳极，以与阴极相对的方向形成在衬底上的栅极旁边；电子发射源，位于阴极上，该电子发射源借助电场发射电子；以及反射电极，形成在衬底之上并与衬底平行。RF信号输入端和DC阴极偏压电连接到阴极，并且RF输出端和DC阳极偏压电连接到阳极。
Description
技术领域
本发明涉及一种场致发射RF(射频)放大器，并更具体地，涉及一种其中场致发射器件执行放大的RF放大器。
背景技术
RF放大器在被供给预定DC偏压的情况下通过RF输入端接收RF信号，并放大RF信号的振幅到RF输出端。对于这样的RF放大，RF放大器包括位于RF输入端和RF输出端之间的RF放大单元。
晶体管可以是RF放大器。但是，由于该晶体管采用固态硅，所以晶体管的电子迁移率很差。
因此，允许真空状态下的电子迁移的真空管可代替该晶体管，但是，存在传统真空管的体积很大的问题。
当前正在进行采用场致发射器件作为真空板中的放大单元的研究。
在D.Palmer等人所著的“Silicon Field Emitter Arrays with LowCapacitance and Improved Transconductance for Microwave AmplifierApplications”J.Vac.Sci，Techno.B 13(2)，Mar/Apr 1995，pp.576-579中公开了采用硅场致发射器阵列进行RF放大的例子。
但是，因为用于RF放大的FEA(场致发射阵列)结构采用由二氧化硅构成的4μm厚的栅极绝缘层，所以由于栅极和阴极之间电容增加而使得难以匹配RF器件的标准输入/输出阻抗50Ω。同样，该电容的增加使得输出电流减小，从而恶化了RF信号的放大效应。
发明内容
本发明提供了一种场致发射RF放大器，其通过将真空场致发射器件安排为平面型而利于不同RF端子的阻抗匹配，并改善RF放大效应。
根据本发明的一个方面，提供了一种RF放大器，包括衬底上的RF放大单元，该RF放大单元包括：阴极，形成在衬底上；栅极，形成在衬底上的阴极旁边并以预定距离与阴极隔开；阳极，以与阴极相对的方向形成在衬底上的栅极旁边；电子发射源，位于阴极上，该电子发射源借助电场发射电子；以及反射电极，形成在衬底之上并与衬底平行，其中RF信号输入端和DC阴极偏压电连接到阴极，并且RF输出端和DC阳极偏压电连接到阳极。
在反射电极和衬底之间形成真空空间，该真空空间包括阴极、栅极和阳极
施加负电压到反射电极，使得从电子发射源输出的电子朝向阳极反射
阳极、栅极和阴极被设置在与衬底相同的表面上。
电子发射源为CNT。
根据本发明的另一个方面，提供了一种RF放大器，包括衬底上的多个RF放大单元，所述多个RF放大单元中的每个包括：阴极，形成在衬底上；栅极，形成在衬底上的阴极旁边并以预定距离与阴极隔开；阳极，以与阴极相对的方向形成在衬底上的栅极旁边；电子发射源，位于阴极上，该电子发射源借助电场发射电子；以及反射电极，形成在衬底之上并与衬底平行，其中RF输入信号和DC阴极偏压电连接到阴极，并且RF输出信号和DC阳极偏压电连接到阳极。
所述RF放大单元彼此串联连接。
电容器被设置在RF放大单元之间。
附图说明
通过参考附图对示范实施例进行详细描述，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加清楚，其中：
图1是示出根据本发明优选实施例的用于场致发射RF放大器的RF放大单元的示意结构的剖面图；
图2是图1的RF放大单元的操作的仿真；
图3是根据本发明实施例的RF放大器的示意性平面图；
图4是图3的等效电路图；
图5是根据本发明另一实施例的RF放大器的示意性平面图；以及
图6是图5的等效电路图。
具体实施方式
下面，将参考附图对根据本发明的场致发射RF放大器的优选实施例进行详细描述。这里，为清楚起见而放大了附图中所示的层厚或者面积。
图1是示出根据本发明优选实施例的用于场致发射RF放大器的RF放大单元的示意结构的剖面图。
参考图1，阳极140、栅极130、以及阴极120以预定的距离隔开并定位在RF放大器的衬底110上。电子发射源，例如CNT发射器121形成在阴极120上。反射电极150以预定的距离与衬底110隔开并定位。壁体160形成在反射电极150和衬底110的边缘之间，使得其间形成真空空间。作为用真空密封该真空空间的方法，可以采用用于传统平板显示器的热除气方法。同样，可能通过将用于气体吸收的除气材料如ST122放置在衬底110和/或反射电极150上而形成真空空间。
衬底110可以由例如氧化铝材料或石英材料的绝缘材料制成。
阳极140、栅极130和阴极120可以采用导电材料如ITO或Cr形成为0.25μm的厚度。在栅极130和阴极120之间形成50μm的间隙。每个阳极140、栅极130和阴极120可以形成宽度为500到900μm。这种500到900μm宽度的设计规则有利于RF微波传输带电路的阻抗匹配。
CNT发射器121可以通过丝网印刷和低温干燥处理而形成。可替换地，也可以在阴极120上形成CNT催化剂金属，然后流通含碳的气体，并在该CNT催化剂金属上逐渐形成CNT。
图2是示出图1的场致发射RF放大器的操作的仿真图。参考图1和2，阳极140、栅极130、和阴极120设置在同一平面上并设计为每个具有900μm、500μm、和500μm的宽度。阳极140和栅极130之间的间隙以及栅极130和阴极120之间的间隙分别设计为800μm和50μm。电极的长度设计为1mm。反射电极150与下部电极120、130、和140隔开1.1mm。
此外，将1.5kV、-130V和-140V的DC电压分别施加到阳极140、阴极120和反射电极150上，栅极130接地。优选的是，将比施加到阴极120的负电压大的负电压施加到反射电极150。该具有负电压的反射电极150使得由栅极130从阴极120提取的电子成曲线朝向栅极130并改变其方向，从而与具有强电压的阳极140发生碰撞。
图3是根据本发明实施例的RF放大器的示意性平面图。本实施例中基本相同的组件在全部附图中被标以相同的附图标记，并且省去其详细描述。
参考图3，RF放大器包括RF放大单元。RF放大单元由衬底110上的电极120、130和140，以与电极120、130和140相对的方式从电极120、130和130向上隔开的反射电极150，以及形成在反射电极150和衬底110的边缘之间的用于密封的壁体(图1的160)组成。RF放大单元的内部空间维持在真空状态。
通过RF输入端210接收的RF信号被输入到阴极120的一端。用于过滤DC偏压的电容器C1设置在RF输入端210和阴极120之间。同样，外部DC偏置阴极电压-Vc通过电感器L1施加到每个阴极120。电感器L1滤去输入到阴极120的交流分量。
栅极130接地。
DC偏置阳极电压+Va通过电感器L3施加到阳极140。电感器L3防止交流分量输入到阳极140。
由阳极140放大的RF信号通过电容器C3输入到RF输出端220。电容器C3防止DC偏压流到RF输出端220。
其间，电容器C4和C5为隔直流电容器，用于防止从RF输入端210传输来的RF信号漏出。电容器C4、C5和对应于该电容器C4、C5的电感器L1、L3形成低频滤波器。
下面，对具有上述结构的RF放大器的操作进行描述。
首先，通过RF输入端210接收的RF信号被传输到阴极120并在阴极120与DC偏置阴极电压-Vc混合。接着，通过栅极130从阴极120上的CNT发射器121发射电子，该发射的电子朝向栅极130形成曲线。此时，通过施加到反射电极150的负电压而从反射电极150反射电子，并前进到阳极140。此时，阳极140中RF信号的电流变化宽度根据阴极电压-Vc和栅极电压之间的电压差而增加。就是说，如果栅极130接地并且将-120V到-140V的DC电压施加到阴极120，那么阳极140中RF信号的电流变化宽度ΔI将随着阳极140上碰撞的电子而增加，使得RF信号具有这样的电压变化宽度ΔV，该电压变化宽度ΔV是电流变化宽度ΔI与作为金属条的阳极140的阻抗的乘积。就是说，由于通过RF输入端210接收的RF信号的电压变化宽度在阳极140处增加，所以RF信号被放大。
电容器C1去除通过RF输入端210接收的RF信号中的DC分量。
其间，电感器L1和L3使得从阴极偏压-Vc和阳极偏压+Va传输的DC偏压通过，并隔断交流分量。
电容器C4和C5防止阴极120和阳极140的RF信号通过电感器L1和L3漏出。
图4是图3的等效电路图。
参考图4，附图标记Z1和Z2分别表示由在连接到对应电极的DC偏压的传输路径中设置的电容器和电感器的容抗和感抗所创建的阻抗。阻抗可被创建为接近由于电容减小的RF电路的阻抗匹配所需的标准阻抗。
图5是根据本发明的另一实施例的RF放大器的示意性平面图。本实施例中基本相同的元件在全部附图中被标以相同的附图标记，并且省去其详细描述。
参考图5，RF放大器包括两个RF放大单元(第一RF放大单元和第二RF放大单元)。每个RF放大单元由衬底110上的电极120、130和140，以与电极120、130和140相对的方式从电极120、130和140向上隔开的反射电极150，以及形成在反射电极150和衬底110的边缘之间的用于密封的壁体(图1的160)组成。RF放大单元的内部空间维持在真空状态。
电容器C2设置在RF放大单元之间用于滤去从第一RF放大单元输出的RF功率的DC偏压并且仅使RF信号通过。
通过RF输入端210接收的RF信号或者来自第一RF放大单元的放大RF信号被输入到每个阴极120的一端。用于过滤DC偏压的电容器C1和C2设置在RF信号和阴极120之间。同样，外部DC偏置阴极电压-Vc通过电感器L1和L2施加到每个阴极120。电感器L1和L2滤去输入到阴极120的交流分量。
每个栅极130接地。
DC偏置阳极电压Va通过电感器L3和L4被施加到每个阳极140。电感器L3和L4防止交流分量输入到阳极140。
通过第二RF放大单元并在阳极140放大的RF信号通过电容器C3输入到RF输出端220。电容器C3防止DC偏压流向RF输出端。
其间，电容器C4和C5为隔直流电容器，用于防止通过RF输入端210接收的RF信号或者输入到第二RF放大单元的RF信号漏出。电容器C4、C5和对应电感器L1、L2、L3和L4形成低频滤波器。
下面，对具有上述结构的RF放大器的操作进行描述。
首先，从RF输入端210接收的RF信号被传输到阴极120并在阴极120与DC偏置阴极电压-Vc混合。接着，通过栅极130从阴极120上的CNT发射器121发射电子，该发射的电子向栅极130形成曲线。这是，通过施加到反射电极150的负电压从反射电极150反射电子，并前进到阳极140。此时，阳极140中RF信号的电流变化宽度根据阴极电压-Vc和栅极电压之间的电压差而增加。也就是说，如果栅极130接地并且将-120到-140V的DC电压施加到阴极120，那么阳极140中RF信号的电流变化宽度ΔI将随着阳极140上的电子碰撞而增加，使得RF信号具有这样的电压变化宽度ΔV，该电压变化宽度ΔV是电流变化宽度ΔI与作为金属条的阳极140的阻抗的乘积。就是说，由于通过RF输入端210接收的RF信号的电压变化宽度在阳极140处增加，所以RF信号被放大。
接着，在阳极140的放大RF信号通过电容器C2使得DC偏压被阻断。从而，第一放大RF信号被输入到第二RF放大单元的阴极120。输入到第二RF放大单元的RF信号以上述方式被第二RF放大单元放大并被输入到电容器C3。因此，在通过电容器C3之后去除了DC电压的RF信号被输出到RF输出端220。
电容器C1去除通过RF输入端210接收的RF信号中的DC分量。
其间，电感器L1到L4使得阴极偏压-Vc或阳极偏压+Va的DC偏压通过，并隔断交流分量。
电容器C4和C5防止阴极120和阳极140上的RF信号通过电感器漏出。
图6是图5的等效电路图。
参考图6，附图标记Z1到Z4分别表示由在连接到对应电极的DC偏压的传输路径中设置的电容器和电感器的容抗和感抗所形成的阻抗。可使该阻抗接近由于电容减小的RF电路的阻抗匹配所需的标准阻抗。
在上述实施例中，对包括两个RF放大单元的RF放大器进行了描述，但是，本发明并不限于此。就是说，可以实现包括三个或更多RF放大单元的RF放大器。
如上所述，由于根据本发明的场致发射RF放大器采用具有真空状态的平面型场致发射器件作为RF放大单元，所以可能提高放大单元的电子迁移性并改善放大效应。同样，通过在平面上安排形成场致发射器件的电极，有可能减小栅极和阴极之间的容抗并从而容易产生标准阻抗。
尽管已经参考本发明的某些优选实施例而示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，可以在其中做出形式上和细节上的各种变化，而不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。
Claims (12)
1.一种RF放大器，包括衬底上的RF放大单元，该RF放大单元包括：
阴极，形成在衬底上；
栅极，形成在衬底上的阴极旁边并以预定距离与阴极隔开；
阳极，以与阴极相对的方向形成在衬底上的栅极旁边；
电子发射源，位于阴极上，该电子发射源借助电场发射电子；
反射电极，形成在衬底之上并与衬底平行；
电连接到该阴极的RF信号输入端；和
电连接到该阳极的RF输出端，
其中DC阴极偏压和DC阳极偏压被分别供应到所述阴极和所述阳极。
2.根据权利要求1的RF放大器，其中在反射电极和衬底之间形成真空空间，该真空空间包括阴极、栅极和阳极。
3.根据权利要求1的RF放大器，其中施加负电压到反射电极，使得从电子发射源输出的电子朝向阳极反射。
4.根据权利要求1的RF放大器，其中阳极、栅极和阴极被设置在与衬底相同的表面上。
5.根据权利要求1的RF放大器，其中该电子发射源为碳纳米管。
6.一种RF放大器，包括衬底上的多于一个RF放大单元的多个RF放大单元，所述多个RF放大单元中的每个包括：
阴极，形成在衬底上；
栅极，形成在衬底上的阴极旁边并以预定距离与阴极隔开；
阳极，以与阴极相对的方向形成在衬底上的栅极旁边；
电子发射源，位于阴极上，该电子发射源借助电场发射电子；
反射电极，形成在衬底之上并与衬底平行；
电连接到该阴极的RF信号输入端；和
电连接到该阳极的RF输出端，
其中DC阴极偏压和DC阳极偏压被分别供应到所述阴极和所述阳极。
7.根据权利要求6的RF放大器，其中在反射电极和衬底之间形成真空空间，该真空空间中包括RF放大单元的阴极、栅极和阳极。
8.根据权利要求6的RF放大器，其中施加负电压到反射电极，使得从电子发射源输出的电子朝向对应阳极反射。
9.根据权利要求6的RF放大器，其中RF放大单元的阳极、栅极和阴极被设置在与衬底相同的表面上。
10.根据权利要求6的RF放大器，其中该电子发射源为碳纳米管。
11.根据权利要求6的RF放大器，其中所述RF放大单元彼此串联连接。
12.根据权利要求11的RF放大器，其中在RF放大单元之间设置有电容器，并且
该电容器的一端连接到前一RF放大单元的阳极而该电容器的另一端连接到RF放大单元的阴极。
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