CN101689463B - 高频螺旋放大器和振荡器 - Google Patents

Abstract

这里揭示了一类和使用微制造技术制造的微螺旋慢波电路一起操作的毫米和亚毫米波长放大器和振荡器。螺旋线由金刚石电介质支撑棒支撑。金刚石是可能的最好热导体，并且能够被结合到螺旋线。不是通过螺旋线的中心而是围绕螺旋线的外部来传输电子束。在一些配置中可以从慢波电路直接辐射产生RF功率。在60GHz以上可应用的制造方法适宜大量生产。

Description

高频螺旋放大器和振荡器

优先权

本申请主张2007年2月21日申请的美国临时申请No.60/902,537的权益。关于联合资助研究的声明

根据美国政府合同No.FA9550-07-C-0076、FA9550-06-C-0081、W911NF-06-C-0086和W911NF-06-C-0026提供对于该项目的资助，并且美国政府可能对本发明拥有特定权利。

背景技术

本发明涉及一种毫米和亚毫米波长生成、放大和处理技术。特别涉及一种用于毫米和亚毫米波长放大器和振荡器的例如行波管的电子设备，下面将会使用特定参考来描述本发明。然而，本发明还发现在其它在毫米和亚毫米波长操作的设备中以及在其它采用慢波电路的设备中的应用。

行波管(TWT)是典型地包括慢波电路的电子设备，慢波电路通常由中空的真空紧密的桶限定，该桶具有布置在桶内的可选的附加毫米和亚毫米波长电路。围绕慢波电路安排电子源和适当的转向磁体或电场以将电子波束传递通过通常中空的束通道。电子和慢波电路相互作用，并且电子束的能量被转化为由慢波电路引导的微波。这样的行波管提供毫米和亚毫米波长生成和放大。

大约30年前，螺旋返波振荡器(BWO)是用于微波扫频振荡器(BWO)的信号源的选择。然而，现在该应用已经由固态设备而取代。螺旋慢波电路仍然用作高功率毫米波行波管(TWT)放大器，在45GHz产生大约200瓦特CW，但是和常规制造、热管理和电子束传输相关联的基本问题是至更高频应用的障碍。几十年来，螺旋制造的常规实践已经包括围绕圆柱状心轴缠绕圆导线或矩形带。随着操作的期望频率的增加，心轴直径必须减小，由于导线厚度变为心轴半径的重要部分，使得螺旋线的内半径和外半径之间的应力增加。不论是通过电子束拦截还是来自RF电流的电阻损耗而在螺旋线上产生的热都必须被通过电介质支撑棒引导离开，该电介质支撑棒是次的热导体并且经常和螺旋线进行不特定的热接触。随着频率的增加，螺旋线的内直径减小，为常规电子束传输提供了减小的空间并且因而降低了可实现的输出功率。

本发明考虑一种解决上述困难和其它问题的新的和改进的真空电子设备。

发明内容

在本发明的一个方面提供了一种电子设备的慢波电路。慢波电路包括螺旋传导结构，其中电子束围绕所述螺旋传导结构的外部流动并且形成为围绕所述螺旋传导结构的以圆图案安排的子束阵列；包含所述螺旋传导结构的通常中空的金刚石桶，其中所述中空的桶是圆柱形状；以及结合到所述螺旋传导结构和所述中空的桶的一对金刚石电介质支撑结构。

在本发明的另一方面提供了一种具有阴极和收集极的电子设备的慢波电路。所述慢波电路包括：所述阴极和所述收集极之间的螺旋传导结构，其中电子束围绕所述螺旋传导结构的外部流动并且形成为围绕所述螺旋传导结构的以圆图案安排的子束阵列；包含所述螺旋传导结构的通常中空的金刚石桶，其中所述桶是正方形形状；以及结合到所述螺旋传导结构和所述中空的桶的一对连续金刚石电介质支撑结构。

在本发明的又一方面提供了一种螺旋行波管的慢波电路，其中将来自所述管的输出功率直接部署到螺旋天线的自由空间中，所述螺旋天线是所述慢波电路的扩展。

从下面提供的具体实施方式中能够显而易见本发明的应用性的进一步的范围。然而，应当理解具体实施方式和特定例子尽管指示本发明的优选实施例，但是仅以说明的方式给出，因为对本领域普通技术人员来说在本发明的精神和范围内能够显而易见各种改变和变型。

附图说明

本发明存在于设备的各种部件的构造、安排和组合以及方法的步骤中，从而达到考虑的目的，该目的在下文中将更加全面地阐明、在权利要求中详细指出并且在附图中说明，在附图中：

图1A和1B示出了根据本发明的方面的金刚石支撑的微螺旋慢波电路；

图2是用于螺旋线的操作的频散图；

图3是示出在阴极(左)以及在强磁场传播之后(右)的不完整的中空电子束的扭曲的图；

图4示出了在强磁场中的子束的环形阵列的稳定传播；

图5A和5B示出了示例磁电路设计的正视图(5A)以及横截面视图(5B)；

图6示出了由图5所示的电路产生的轴磁场；

图7表示用于作为650GHz BWO操作的频散图的段；

图8示出了具有用于抑制不想要的模式的刻槽的桶的BWO；

图9是波导耦合器中的探针的横截面图；

图10是示出在波导配置中用于探针的返回损耗的图；

图11是示出在收集极附近的尾磁场的图；

图12示出了收集极在横截面(左)和侧视图(右)的几何结构；

图13是BWO收集极中电子轨道的侧视图；

图14是组装的BWO结构的BWO主体部分(half)和端视图的布局；

图15是移除侧面的电子枪的计算机仿真；

图16是具有作为透明盒的金刚石外壳的组装的TWT的图；

图17是示出放置在TWT金刚石支撑薄板上的共振损耗结构的图；

图18是螺旋天线输出的横截面；

图19A-C示出了制造金刚石支撑的螺旋线的一个方法；以及

图20是示出可能由制造技术引入的理想螺旋几何结构的实际扭曲的图。

具体实施方式

这里揭示了一种微螺旋慢波结构，其中通过将金属选择性地镀到通过硅片的活性离子蚀刻而制造的平版印刷地形成图案的圆形沟上来制造螺旋线。螺旋线由金刚石电介质支撑棒支撑。金刚石是可能的最好热导体，并且能够被结合到螺旋线。不是通过螺旋线的中心而是围绕螺旋线的外部来传输电子束。尽管所有的这些在C-Band可能都不实用，可以制造这样的结构用于在毫米和亚毫米波长范围的操作。由于这个概念适用于TWT和BWO两者，我们将描述这个概念。

现在参考附图，其中附图仅是为了说明示例实施例的目的，并不用于限制主张的主题的目的，图1A和1B提供了微螺旋慢波电路的视图。如图1A所示，在圆金刚石桶12中，螺旋线10的一圈可以由附接到每个半圈的金刚石双头螺栓14支撑。金刚石双头螺栓14通常由化学气相沉积(CVD)形成。

通过CVD的金刚石合成已经成为沿用已久的技术。已知可以合成各种物体上面的金刚石涂层，以及自立式物体。典型地，通过在平面基板或具有在其中形成的相对简单的洞的基板上沉积金刚石来制造自立式物体。例如，美国专利No.6,132,278揭示了通过培育金刚石以填充在硅基板中形成的洞来用等离子增强的CVD形成固体的通常是锥体或圆锥体金刚石微芯片发射器，并且美国专利No.7,037,370揭示了制造具有包括多个交叉刻面的外表面的自立式、内部支撑的、三维物体的可选方法，其中交叉刻面的至少子集具有金刚石层，这两个专利的揭示内容通过引用包括于此。

桶12的内表面16被金属化。图1B是出了由CVD金刚石的连续薄板24在正方形金刚石桶22中支撑的螺旋线20的多个圈。如同在前一情况中，可以从CVD金刚石制造桶，使得桶22的内表面26被选择性地金属化。引入非常规的正方形桶22来加强微制造处理以及在抑制不想要的模式中的有效性。根据例如操作的频率以及设备是放大器或振荡器的几个因素，这些结构的尺寸会变化，并且使用发明人先前引入的公知计算技术来确定这些结构的尺寸。见“Accurate Cold-Test Model of Helical TWT Slow-Wave Circuits”，C.L.Kory和J.A.Dayton，Jr.，IEEE Trans.ED，Vol.45，No.4，pp.966-971(1998年4月)；“Effect of Helical Slow-Wave Circuit Variations on TWT Cold-TestCharacteristics，″C.L.Kory and J.A.Dayton，Jr.，IEEE Trans.ED，Vol.45，No.4，pp.972-976(1998年4月)；“Computational Investigation of ExperimentalInteraction Impedance Obtained by Perturbation for Helical Traveling-Wave TubeStructures，”C.L.Kory and J.A.Dayton，Jr.，IEEE Transactions on ElectronDevices，Vol. 45，No.9，p.2063，1998年9月；“First Pass TWT Design Success，”R.T.Benton，C.K.Chong，W.L.Menninger，C.B.Throington，X.Zhai，D.S.Komm和J.A.Dayton，Jr.，IEEE Trans.ED，Vol.48，No.1，pp.176-178(2001年1月)。

在常规操作模式中，沿着通过螺旋线中心的轴导引电子束。这是至今为止阻止螺旋设备在非常高的频率操作的原因之一，因为螺旋线内直径变得太小而不允许大电流通过。这里的创新之一是允许电流通过螺旋线之外的相对更大的空间。这里的电磁场非常的不同。如图2所示的对于95GHz TWT的情况的螺旋频散关系指示三种模式的存在。这里描述的所有的螺旋结构具有和图2相似的模式图。图1所示的配置是制造的实际电路的理想状态。尽管实际制造的结构可能在细节上略微不同，但它们对于准确地仿真微螺旋设备的性能是有用的。用于创建图2的计算技术是容易应用的并且仿真制造的结构的确切细节。

从图2的原点30引出的直线的斜率和电子速度成比例。模式线的斜率和波的组速度成比例。电子速度线和模式线的交点指示波和电子的速度接近同步的潜在操作点。图2中绘出了两条电子速度线。上部线32和模式1在95GHz相交，和模式2在270GHz相交，和模式3在480GHz相交。对于模式1的操作点处的斜率是正的，指示正的组速度，并且因而指示行波放大器(TWT)。然而，在对于模式2和3的操作点，斜率是负的，指示会导致有害返波振荡的潜在不想要的模式。和模式1的交点是第一操作点并且因而是主要的模式。经常需要在除了主要模式之外的其它模式抑制操作。

更慢的电子速度线34指示对于在更低电压的操作，主要操作点将在和模式2在170GHz的交点，在该频率下设备会振荡(相对于TWT作为BWO操作)。该相位速度线也和模式1在250GHz交叉并且和模式3在270GHz交叉。这两个操作点都是振荡的潜在源，如果它们不被抑制则将和主要模式发生干扰。

根据所选的尺寸和操作电压，这些螺旋设备能够被配置作为放大器(TWT)或振荡器(BWO)。将描述几种用于不想要的操作模式的抑制的方法。将输出功率从BWO电路耦合进入作为桶的一体部分的波导。输出波导端的喇叭天线可以从BWO直接辐射用于准光学操作或者波导可以终止在用于和闭合系统操作的凸缘中。可以使用准光学耦合或通过作为桶的一体部分的波导来实现对TWT输入功率。来自TWT的输出功率可以被从制造作为螺旋慢波电路的一体部分的螺旋天线直接辐射或者可以耦合到作为桶的一体部分的波导。对于TWT和BWO两者的电子束可以由子束的圆形阵列组成，子束的圆形阵列由力的平衡保持在位置上，该力导致它们相互的静电排斥和它们与轴磁聚焦场的相互作用。通过利用聚焦磁场的尾部将用毕的电子束捕获在新的降压收集极中，BWO和TWT两者的效率可以显著增强。

环形多束阵列

环绕螺旋线的电子束典型地由安排在环形阵列中的数个子束组成。子束的数目以及在每个子束中的电流取决于螺旋线的外直径以及设备的电流要求。可以从已经被平版印刷地形成图案的场发射阵列、从栅格热电子阴极、或者从小的热电子阴极的阵列发起子束。电子束浸入在聚焦轴磁场中。在金刚石支撑结构上能够拦截连续的中空束。然而，如同从图3(右)中可见，不连续的中空束变得不稳定。子束的环形阵列是产生稳定电子流的一个解决方案。等距间隔的子束之间的静电力倾向于将子束从彼此推开并且从它们围绕的螺旋线推开。它们由轴磁场保持在位置上。在常规螺旋设备中，束中的静电力将电子推向螺旋线，导致不期望的拦截的电流。

图4中示出了该多束传播的例子，该图示出了从阴极以逐渐增加的距离在强磁场中的子束的环形阵列的稳定传播。在数毫米的行进之后，整个阵列围绕轴旋转几度，可以用在偏移角度部署束来弥补这样的效果。各个子束也围绕它们自己的轴旋转。再次，这个例子用于650GHzBWO。每个子束包含对于4.5mA的整个束电流的0.75mA。对于在其它频率的其它应用，子束的数目以及每个子束的电流按照需要而设计。

图4示出的计算是基于从浸入在0.85特斯拉轴磁场中的场发射阴极部署的子束阵列的。图5A和5B示出的磁电路40证实产生在图6中绘制的所需的磁场的可能性。图6中的纵坐标是特斯拉，横坐标是毫米。磁电路40通常包括中心磁体42、一对端磁体44、以及一对极片46。在该例中，永磁体42、44是NdFeB 55并且极片46是波明德合金。此外，磁体42、44的外直径是70毫米并且内直径是6毫米。对于中心磁体42的长度是30毫米，对于侧磁体44的长度是12毫米。极片46的直径是60毫米，长是4毫米。

亚毫米BWO

图2示出了具有主要振荡模式和两个竞争的更高阶模式的作为BWO的微螺旋慢波电路的操作。图7中示出了从图2修改的用于在650GHz的BWO操作的频散图的段。出于方便的目的，在图7中将主要振荡模式指定为模式1。例如该图的频散图是使用确切电路尺寸从计算机仿真产生的。在这种情况下，图7中仿真的配置是用于具有圆桶和金刚石双头螺栓支撑的BWO。对于12kV电子束绘制了电子速度线。发现三种方法来抑制两种不期望的更高阶模式而具有对于主要模式相对小的影响：桶的内壁能够被涂敷上高电阻率材料。桶可以制成图1B所示的正方形。

图8示出了在刻槽的金刚石桶52中由附接在每个半圈的金刚石双头螺栓54支撑的螺旋线50的单圈。如同在前一种情况中，可以从CVD金刚石制造桶，桶52的内表面56被选择性地金属化。包括槽58以中断更高阶模式。如图1A和图8所示的螺旋线由金刚石双头螺栓支撑，这是最高效的配置。然而，在有的情况下用图1B所示的连续金刚石薄板来代替金刚石双头螺栓可以提供更牢固的结构并具有可接受的较低的效率的损失。通过优化计算机仿真可以获得最终设计。

例如，利用正方形桶、在6kV操作并且由连续金刚石薄板支撑的典型的BWO电路的尺寸在下面的表1中示出。从该设计的预测的功率输出依赖于电子束中的电流和电流密度以及束与电路的邻近。这些因素的选择涉及工程权衡。增加电流和电流密度对于电子源和磁聚焦系统带来更多的应力，而将电子束更靠近螺旋线则增加了束拦截的可能性。对于表1中描述的、图4中示出的具有4.5mA的电子束在650GHz操作的BWO，计算机预测指示70mW的输出功率。如果电流能够增加到10mA，输出功率是270mW。通过在更高电压操作，功率能够进一步增加。

表1：用于具有正方形桶的螺旋BWO的电路尺寸(微米)

螺距，p	44.76
		支撑棒厚度，th	10
螺旋外直径，diamo	62.5
		螺旋内直径，diami	42.5
螺旋带宽度，tapew	26
		桶宽度，barreld	200
螺旋线厚度，rth	10

螺旋线至波导耦合器

螺旋线至波导耦合器对于为BWO产生的功率提供输出路径是必要的。该耦合器的一种形式在图9中示出。在至TWT的输入能够使用相同的方案，并且该方案能够用作对于TWT的可选输出耦合器。螺旋线60的端被扩展以生成探针62，探针62能够通过内置在管主体中的矩形波导64的宽壁。在图中还示出了连续的金刚石支撑薄板66以及匹配短路(short)68。图10中示出了为了650GHz BWO设计的这样的耦合器的返回损耗。

BWO收集极设计

螺旋慢波电路仅提取电子束中的功率的一小部分。在经过慢波电路后，电子束速度降低并且在降压收集极中捕获处于相对低能量的电子束。图11示出了图6中首次看到的磁场的尾。和由图12所示的收集极电极68、69形成的横向静电场耦合的磁场将用毕束中的电子降低到它们的能量的大约5％并在和慢波电路热隔离的支撑结构上捕获它们。满足我们的需要的一个收集极几何结构是分离的圆筒，该圆筒的上半部设置在阴极电压，下半部设置在收集极电压，典型地被偏置比阴极电压高300V。对于650GHzBWO的操作，图13示出了收集极中仿真的电子轨道。

BWO主体布局

通过将金刚石沉积到硅模的脊阵列上可以形成容纳慢波电路和电子枪的BWO主体，通过深度活性离子蚀刻形成图案。当去除硅时，留下的金刚石的形式是半盒阵列。图14示出了示例BWO外壳70的详细草图。图的左侧表示由绝缘金刚石的长度76分开的阴极底座72和第一阳极74的位置。横截面阴影区域表示第二阳极78的位置。在左边示出了电子枪中的阳极槽的细节，在右边示出了慢波电路的输出耦合器80和桶82。还示出了喇叭天线84和输出波导86。桶82具有100微米的深度，并且剩余元件具有190微米的深度，该深度对于650GHz BWO是通常需要的。还示出了体现金刚石外壳88、桶孔90、螺旋线92以及喇叭天线孔94的特征的横截面视图。桶82、波导86、喇叭天线84、阳极槽74、78以及阴极底座72的部分都被选择性地金属化。

图15示出了电子枪的更加详细的描述，其中去除了侧面。附图标记96和97分别指的是金刚石盒98的顶部分和底部分，其中金刚石盒98容纳BWO并提供慢波电路的枪和桶中的电子隔离。图14中所示的慢波电路是6mm长。当需要更长的慢波电路时，能够在长度方向上扩展布局。形成作为外壳的一体部分的输出波导在端部向外张开以生成喇叭天线。在螺旋慢波电路的阳极和阵列被插入主体阵列的下半部中后，增加上半部并结合整体结构。通过激光切割从结合的阵列去除各个BWO。在图14中也示出了组装的BWO的输出端的视图。慢波电路被定位在磁场的轴上。RF输出是离轴的并且被导引通过收集极至真空包层的端部的窗口。对于650GHz BWO的情况，桶82是100微米深，而布局的剩余区域是190微米深。当然，当组装两个二等分时，这些尺寸加倍，从而慢波电路桶82的深度是200微米并且波导和电子枪尺寸是380微米。

微螺旋TWT

对于BWO已经描述的内容中很多都适用于TWT。然而，存在一些不同。由于TWT是放大器，它必须具有输入耦合器，并且由于输出在管的端部而不是中间，可以从慢波电路直接辐射输出功率而不必通过波导。由于频率非常高，可以通过天线以及波导耦合进入TWT准光学的输入。图16是TWT 100的图，是出了作为围绕TWT 100的透明盒的金刚石外壳。TWT 100包括波导102、探针104、场发射阴极106、第一阳极108、第二阳极110以及螺旋线112。BWO的草图看上去非常相似，不同之处在于没有输入波导。

如图关于图2所注意到，除了用于TWT的期望放大模式之外，还有两种不期望的返波模式。用于抑制BWO中的不期望的更高阶模式的方法不适用于TWT。如果更高阶模式是问题，必须如图17所示通过将共振损耗图案120插入到金刚石支撑结构122上来消除更高阶模式。见“Resonant Loss for HelixTraveling Wave Tubes”，C.E.Hobrecht，International Electron Devices Meeting，1978。

通过螺旋天线从慢波电路直接辐射来自TWT的输出，其中螺旋天线被制造作为螺旋慢波电路的一体部分。这会消除高功率毫米波管中的主要故障点之一，从慢波电路至输出波导的连接。在图18所示的计算机仿真中，切除一半的结构以示出螺旋天线130的细节。还示出了连续金刚石支撑薄板132和螺旋慢波电路134。该天线产生线性极化波。通过将天线用作锥体形喇叭的馈入，能够增强天线方向性。天线被导引朝向真空包层中的窗口。

螺旋慢波电路制造

这里描述的所有的TWT和BWO都是基于微螺旋慢波电路，由此使用例如平版印刷、活性离子蚀刻、深度活性离子蚀刻以及选择性金属化的微制造技术来制造螺旋线。给出一些看法，对于650GHzBWO，螺旋线的外直径仅有62.5微米。螺旋线由CVD金刚石薄板或CVD金刚石双头螺栓支撑。

在图19A-C中示出了制造螺旋慢波电路的一个方法。在图19A中，已经在蚀刻入涂敷了金刚石的硅片144中的筒状沟142中沉积了金属的半螺旋线140。还示出了在沟142的任一端上的金刚石薄板146。在图19B中，两个硅支持的螺旋线二等分140被对齐并结合以形成螺旋线148。在图19C中，已经去除硅144以完成金刚石支撑的螺旋线148的生产。

硅片被涂敷具有金刚石膜，然后被平版印刷地蚀刻以产生用于电子枪和螺旋线的开口的阵列。圆形沟被蚀刻入涂敷了金刚石的硅片中以形成螺旋外直径的期望形状。圆形沟被平版印刷地形成图案并被选择性地金属化以产生半螺旋线的阵列。这些被结合到一起，并且当去除硅时，金刚石支撑的螺旋线的阵列保留。

使用微制造技术也可以制造螺旋线的桶。通过将脊阵列蚀刻入硅片而生成模子。在晶片上生长金刚石并且去除硅。结果是作为管主体的金刚石半盒的阵列。按照所需，管主体包括螺旋慢波电路的桶，用于电子枪的电介质绝缘以及输入和输出波导。确保了这些部件的对齐，因为在相同的操作中制造这些部件并且它们成为金刚石的一个固体片。对于较低频率毫米波设备，更多的常规加工技术可以用于令人满意地制造主体。螺旋线的阵列被置于底部半盒上，增加顶部盒并且整体组件被结合到一起。

图19所示的图是螺旋结构的理想状态。图20中的草图示出了更加实际的结果结构，示出了可能由制造技术引入的理想螺旋几何结构的实际扭曲。金刚石支撑棒150叠加在金属螺旋线152的结合垫上。结合材料通常包括焊球154。根据蚀刻入硅的沟的形状，结果螺旋线156的实际外表面不可能是完美的圆。螺旋线156和电子束的对齐将由金刚石支撑薄板150中的掣子158控制，掣子158和桶的壁160对齐以引导慢波电路进入桶的中心。还注意桶的内部被金属化。

为了完成螺旋线和金刚石之间以及两个电路二等分之间的结合，在结构的每侧上必须有金属蝶片并且结合材料本身会进一步扭曲结构。从理想情况的这些偏移的程度取决于制造技术并且还取决于操作频率。然而，这些都不会使得上述分析无效。这里采用的计算机仿真技术能够提供螺旋线的实际尺寸和形状，并且螺旋线的实际尺寸和形状能够被调节以获得期望的性能。

在常规的真空电子设备中，由熟练技师从几百个组件部分一次制造一个设备。这些设备将在晶片规模上被制造，该规模适宜大量生产。将需要两个晶片来制造螺旋线阵列，并且还需要两个晶片来制造主体阵列。四个晶片被结合在一起，去除硅，并且在最后步骤中用激光切割来分离各个设备。再次使用650GHzBWO作为例子，从4个100mm直径硅片中能够制造大约50个设备，极大地降低了设备的每个单元成本。

典型的螺旋慢波电路被限制在低于60GHz的频率，通常在比60GHz低很多的频率上操作。这里描述的螺旋电路能够被设计在从60GHz至几个THz的范围内作为BWO或TWT操作。

不是通过将金属导线或带缠绕到心轴上以常规方式来制造螺旋线。使用微制造技术生产这些螺旋线，微制造技术可以包括活性离子蚀刻、平版印刷、选择性金属化和模具结合。

对于高频常规螺旋线，导线或带的厚度成为心轴半径的重要部分，这在螺旋线的外面生成显著的应力并导致扭曲和结构故障。在这些螺旋线中没有这样的效果。

螺旋线会采用常规螺旋线的近似圆形形状。将会对螺旋线形状的实际细节进行计算地建模以达到最终设计。

为了增强的效率，能够平版印刷地控制螺距以产生将电磁波和电子束保持同步的锥形电路。

典型地由三个电介质棒将常规螺旋线在高压缩力下保持在圆桶中。该螺旋线不在大的压缩应力下；该螺旋线被以180度间隔结合到化学气相沉积(CVD)的金刚石支撑，该金刚石支撑可以是附接到螺旋线的每个半圈的连续薄板或双头螺栓。

常规螺旋线电路制造中使用的电介质棒具有相对差的热传导性。这里使用的CVD金刚石支撑具有已知的最高热传导性。

常规螺旋线和电介质棒之间的热传导性是两者之间的压缩力的高非线性函数。该力是温度的函数，因此当在高功率操作中加热桶时，管的热容量降低。这里CVD金刚石支撑被结合到螺旋线。跨越该结合的热传导性不是温度的函数。

在常规的螺旋真空电子设备中，电子束经过螺旋线的中心。在高频率处，螺旋线的直径被减小至有意义的电流不能通过该螺旋线的值。在这些设备中，电子束被导引围绕螺旋线外面的相对更大的空间。

常规的中空电子束易于受到不稳定性的影响。这里使用的电子束由安排在稳定环形阵列中的多个子束组成。

可以从栅格热电子阴极、多个热电子阴极或者从图案场发射阵列形成多束阵列。

在常规螺旋真空电子设备中，空间电荷力将电子推向引起束拦截的螺旋线，这能够降低效率并引起故障。在这些设备中，子束之间的空间电荷力将彼此推开并因此远离螺旋线。

在常规螺旋真空电子设备中，围绕螺旋线的桶是圆的。在该设备中，为了易于制造并消除不想要的操作模式，在有的应用中桶可以是正方形。

在常规真空电子设备中，电子枪和慢波电路是分开制造并然后焊接到一起的。这两个部分之间对齐的精准(对于设备性能是非常重要的)由焊接操作的公差折衷。在这些设备中，慢波的桶以及电子枪的壁被制造为单元并且因此被精准地对齐。

电子枪壁将会被刻槽以接收阳极插入并且当被选择性地金属化时向阳极提供电连接。

可以从已经使用放电加工形成的金属箔制造阳极，或者可以从已经通过平版印刷和深度活性离子蚀刻或其它微制造处理而形成的高传导性硅制造阳极。

在常规螺旋真空电子设备中，从金属制造桶。在该设备中，可以从已经被选择性地金属化的CVD金刚石制造桶。

在常规真空电子设备中，电子枪、慢波电路和输入/输出耦合器被制造为分离的元件并且被焊接在一起。在该设备中，它们被制造为CVD金刚石外壳中的单个单元以实现精准对齐。

常规的真空电子设备每次由熟练技工从几百个部件中组装。将在晶片规模大量生产而制造该设备，晶片规模大量生产将使用4个100mm硅片从单个操作中生产多达50个设备，导致对于每个单元的显著的成本节省。

在常规的TWT中，将输出功率从慢波电路耦合到波导或传输线。该方案也能够被适配于该设备。然而，该TWT将被设计为通过螺旋天线将RF输出功率从慢波电路直接辐射，该螺旋天线被制造作为螺旋慢波电路的一体部分。

对于常规的TWT，通过波导或同轴线将输入功率引入设备中。在该设备中，由于非常高的频率，可以通过天线或准光学耦合器引入输入功率。

螺旋天线的输出可以被馈送进入小的喇叭天线以增强天线的方向性。

波导被形成作为设备桶的一体元件以作为用于TWT的输入或输出传输线或者作为用于BWO的输出传输线。

制造作为螺旋慢波电路的扩展的探针通过波导的宽壁中的开口耦合至输入或输出波导。

短路电路被制造入波导以使探针和波导匹配。

对于BWO，通过使用低传导材料涂敷桶的内部，通过周期性地对桶刻槽、或者通过将桶制造为正方形而不是圆形结构来抑制不想要的更高阶模式。

对于TWT，通过向金刚石支撑薄板增加共振损耗来抑制不想要的更高阶模式。

在两级收集极中捕获到处于低能量的来自BWO的用毕束，该收集极捕获正交的电磁场之间的电子。在多级降压收集极中捕获来自TWT的用毕束。

通过制造在输出波导的端部的喇叭天线从BWO外壳辐射来自BWO的输出功率。

上述描述仅提供了本发明特定实施例的揭示，并且不是出于限制本发明的目的。因此，本发明不仅仅限于上述实施例。相反，认识到本领域普通技术人员能够想到落入本发明范围内的可选实施例。

Claims (18)

1.一种电子设备的慢波电路，所述慢波电路包括：

螺旋传导结构，其中电子束围绕所述螺旋传导结构的外部流动并且形成为围绕所述螺旋传导结构的以圆图案安排的子束阵列；

包含所述螺旋传导结构的中空的桶，其中所述中空的桶是圆柱形状；以及

结合到所述螺旋传导结构和所述中空的桶的一对电介质支撑结构。

2.根据权利要求1所述的慢波电路，其中所述电子设备包括行波管(TWT)。

3.根据权利要求2所述的慢波电路，其中在多级降压收集极中捕获来自所述TWT的用毕束。

4.根据权利要求1所述的慢波电路，其中所述电子设备包括返波振荡器(BWO)。

5.根据权利要求4所述的慢波电路，其中在两级收集极中捕获处于低能量的来自所述BWO的用毕束，所述两级收集极捕获正交电磁场之间的电子。

6.根据权利要求1所述的慢波电路，其中所述中空的桶包括围绕所述一对电介质支撑结构对称放置的四个等间距槽。

7.根据权利要求1所述的慢波电路，其中所述电介质支撑结构由金刚石组成。

8.根据权利要求1所述的慢波电路，其中所述中空的桶由金刚石组成。

9.根据权利要求1所述的慢波电路，其中所述电路在大于60GHz的频率操作。

10.一种具有阴极和收集极的电子设备的慢波电路，所述慢波电路包括：

所述阴极和所述收集极之间的螺旋传导结构，其中电子束围绕所述螺旋传导结构的外部流动并且形成为围绕所述螺旋传导结构的以圆图案安排的子束阵列；

包含所述螺旋传导结构的中空的桶，其中所述桶是正方形形状；以及

结合到所述螺旋传导结构和所述中空的桶的一对连续电介质支撑结构。

11.根据权利要求10所述的慢波电路，其中所述电子设备包括行波管(TWT)。

12.根据权利要求11所述的慢波电路，其中在多级降压收集极中捕获来自所述TWT的用毕束。

13.根据权利要求10所述的慢波电路，其中所述电子设备包括返波振荡器(BWO)。

14.根据权利要求13所述的慢波电路，其中在两级收集极中捕获处于低能量的来自所述BWO的用毕束，所述两级收集极捕获正交电磁场之间的电子。

15.根据权利要求10所述的慢波电路，其中所述连续电介质支撑结构由金刚石组成。

16.根据权利要求10所述的慢波电路，其中所述中空的桶由金刚石组成。

17.根据权利要求10所述的慢波电路，其中所述电路在大于60GHz的频率操作。

18.根据权利要求2或11所述的慢波电路，其中将来自所述管的输出功率直接部署到螺旋天线的自由空间中，所述螺旋天线是所述慢波电路的扩展。

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