CN105161389B - 一种微波调制冷阴极微型辐射源及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波调制冷阴极微型辐射源及其实现方法，解决了现有技术的问题。该微波调制冷阴极微型辐射源包括利用微波调制的冷阴极电子枪；互作用谐振腔，与利用微波调制的冷阴极电子枪配合使用；互作用谐振腔包括谐振腔壳体，两个相对并分别设置在谐振腔壳体内部上下两端的电子注漂移管道，两个电子注漂移管道之间具有间隙，且位于上端的电子注漂移管道为收集极；在谐振腔壳体的一侧上还设置有凸出谐振腔壳体的外导体和位于外导体内的内导体，在二者之间还设置有陶瓷输出窗片，外导体、内导体和陶瓷输出窗片同轴；外导体中空并与谐振腔壳体连通；在谐振腔壳体内与内导体同侧还设置有耦合环，耦合环一端与内导体连接、另一端与谐振腔壳体内壁连接。

Description

一种微波调制冷阴极微型辐射源及其实现方法

技术领域

本发明属于微波、毫米波、亚毫米波以及太赫兹频段辐射源技术领域，涉及一种电真空辐射源器件，具体的说，是涉及一种微波调制冷阴极微型辐射源及其实现方法。

背景技术

微波、毫米波、亚毫米波电真空辐射源器件作为雷达、电子对抗、空间通讯等军事电子系统不可缺少的核心器件，一直受到广泛重视。传统的电真空辐射源器件中电子枪一般采用热发射阴极系统，经过几十年的发展，热发射阴极工艺已非常成熟，被广泛应用于各类电真空辐射源器件中，但热发射阴极存在以下显著缺点：结构复杂，成本高，阴极系统由多种金属和陶瓷部件构成，由于热阴极工作在上千度的高温环境，阴极中加热用的灯丝容易断裂或短路，导致器件损坏；另一方面，由于需要加热功率，增加了系统的复杂性，降低了系统效率，需要较长时间才能达到工作温度，尤其对于大功率器件，其启动时间往往长达几分钟，给使用带来很大不便；同时，由于热阴极结构复杂也是电真空辐射源器件难以集成的主要原因之一。

固态半导体辐射源器件相比热阴极电真空辐射源具有体积小，可集成，响应速度快等优点，但是其具有：抗干扰、耐辐射能力弱，功率低等缺点，特别是在太空环境下，固态辐射源器件可靠性很难得到保证。

微型电真空辐射源器件有望解决上述两类器件存在的问题，相比热阴极电真空器件它具有体积小、可集成等特点，相比固态辐射源器件它具有抗干扰、耐辐射能力强，同时，输出功率大等特点。在微型电真空辐射源器件中，首先需要采用场发射冷阴极来解决自由电子源的产生，与热电子发射相比，场发射冷阴极具有功耗低、可集成、尺寸小、响应速度快等一系列优点，与固态器件相比具有抗干扰，耐辐射能力强，功率大的优点，因此，它是微型电真空辐射源器件的理想电子发射源。

传统微波电真空器件中速调管的输出功率现在已可以做到很高，但是速调管的体积相对比较大，难以做到集成，传统速调管至少需要一个输入、输出腔才能实现信号的放大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构简单、实现方便、减小结构体积和器件加工难度的微波调制冷阴极微型辐射源。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种微波调制冷阴极微型辐射源，包括：

利用微波调制的冷阴极电子枪，用于作为电子源；

互作用谐振腔，与所述利用微波调制的冷阴极电子枪配合使用；

所述互作用谐振腔包括谐振腔壳体，两个相对并分别设置在所述谐振腔壳体内部上、下两端的电子注漂移管道，两个电子注漂移管道之间具有间隙，且位于上端的电子注漂移管道为收集极；

进一步的，在所述谐振腔壳体的一侧上还设置有凸出所述谐振腔壳体的外导体和位于所述外导体内的内导体，同时，在二者之间还设置有陶瓷输出窗片，且所述外导体、所述内导体和所述陶瓷输出窗片同轴；所述外导体中空并与所述谐振腔壳体连通；

进一步的，在所述谐振腔壳体内与所述内导体同侧还设置有耦合环，所述耦合环一端与所述内导体连接、另一端与所述谐振腔壳体内壁连接。

进一步的，所述利用微波调制的冷阴极电子枪包括电子枪壳体，和由微波输入层与下电极板及冷阴极、上电极板构成的电子枪枪芯；

所述电子枪枪芯横穿所述电子枪壳体，所述微波输入层设置于所述下电极板和所述上电极板之间，且其上下表面分别与所述上电极板和所述下电极板固定；

所述电子枪壳体上端与所述互作用谐振腔密封形成真空室，其下端与所述下电极板密封；

在所述微波输入层的中段设有一正对所述电子注漂移管道的电子注与调制微波互作用间隙，所述冷阴极则嵌于所述电子注与调制微波互作用间隙底部的所述下电极板上，使得所述电子注漂移管道对准电子枪电子注通道；

在所述上电极板上正对所述冷阴极和所述电子注与调制微波互作用间隙的区域开设有阵列式电子注输出孔；所述阵列式电子注输出孔的各孔尺寸均小于微波波长。

进一步的，所述阵列式电子注输出孔置于所述电子枪壳体内腔轴线位置，下电极板、电子枪枪芯两侧及上电极板顶面、谐振腔壳体通过电子枪壳体密封固定成一体。

进一步的，所述阵列式电子注输出孔通过激光刻蚀而成，其孔的形状为圆孔、方孔或条形孔。

进一步的，所述微波输入层为介电常数为2-10的绝缘介质。

微波调制冷阴极微型辐射源的实现方法，包括以下步骤：

（1）上电极板接直流电压，下电极板接地的步骤；

（2）将微波从微波输入层左端输入的步骤；此时，冷阴极表面同时在静电场和微波产生的高频场的作用下得到一个调制电子注；

（3）调制电子注通过阵列式电子注输出孔进入电子注漂移管道的步骤；

（4）调制电子注在真空谐振腔中自激振荡，产生同频/倍频微波辐射，调制电子注能量转化为电磁波。

（5）通过耦合环和同轴结构输出微波，实现输入信号的同频/倍频放大输出，同时输入信号与输出信号是分离的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明使用微波调制冷阴极电子枪作为电子源，配合互作用谐振腔，利用微波中的高频电场在阴阳极之间对电子注进行发射密度调制后，电子注通过上电极板、阵列式电子注输出孔进入谐振腔后自激产生同频/倍频微波辐射并与之进一步发生互作用，电子注将其能量交给微波产生电磁辐射，其只需使用一个谐振腔就可以实现信号的同频/倍频放大输出，从而减小器件的结构体积和加工难度，对微波电真空器件做到微型化、集成化有积极意义。

附图说明

图1是本发明微波调制冷阴极微型同频辐射源结构的剖面示意图。

图2是本发明微波调制冷阴极微型辐射源结构的侧面示意图。

图3是本发明微波调制冷阴极微型倍频辐射源结构的剖面示意图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：1.收集极，2.谐振腔壳体，3.耦合环，4.内导体，4-1.外导体，5.陶瓷输出窗片，6上电极板，7.下电极板，8.冷阴极，9. 阵列式电子注输出孔，10.电子枪壳体，11. 微波输入层，11-1.电子注与调制微波互作用间隙，12.电子注漂移管道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1-3所示，本实施例提供了一种微波调制冷阴极微型辐射源，其基于利用微波调制的冷阴极电子枪，设计一种互作用谐振腔，使得经过特定频率微波调制的电子注能够在该谐振腔体内，产生微波自激振荡辐射，获得放大指定频率的同频或倍频微波信号，设计原理如下：将特定频率微波调制冷阴极电子枪发射出的预调制电子注经过一段漂移段后，通过一个高频谐振腔，在谐振腔内电子注激励起同频或倍频微波后与之进行进一步互作用，完成注波互作用，实现能量交换，再通过一个耦合装置和陶瓷输出窗结构将谐振腔中的同频或倍频微波信号能量输出。

该微波调制冷阴极微型辐射源包括利用微波调制的冷阴极电子枪和互作用谐振腔两部分（图1仅显示了利用微波调制的冷阴极电子枪的局部）。其中，利用微波调制的冷阴极电子枪包括电子枪壳体和由微波输入层与下电极板及冷阴极、上电极板构成的电子枪枪芯。电子枪枪芯横穿电子枪壳体，微波输入层设置于下电极板和所述上电极板之间，且其上下表面分别与所述上电极板和所述下电极板固定；电子枪壳体上端与互作用谐振腔密封形成真空室，其下端与所述下电极板密封。

本实施例中，电子枪的上、下电极板之间增设一微波输入层，并在微波输入层中段的冷阴极上方开设一腔体作为电子注与调制微波互作用间隙，冷阴极嵌于电子注与调制微波互作用间隙底部的下电极板上，正对电子注与调制微波互作用间隙，在冷阴极上部的上电极板开设一组各孔尺寸小于微波波长的阵列式电子注输出孔，作为电子注输出孔，开孔尺寸小于微波波长（电磁场波），开阵列孔对阴极表面处电场分布影响小，同时由于开孔尺寸小于微波波长，因此不影响调制微波的传输。

利用微波调制的冷阴极电子枪在真空环境中，上电极板加静正电位后，可以使下电极板上的冷阴极产生稳定的场致发射电流；当微波以准平面波模式输入时，微波中高频电场矢量方向与静电场平行，当其方向与静电场一致时，在冷阴极表面的电场强度将被加强、与静电场相反时则减弱；在电子注与调制微波互作用间隙内一定频率的微波作用于冷阴极发射电场，其电场频率也随微波频率发生变化，使所产生的电子注的频率与输入的微波频率相同，从而有效实现了通过微波对冷阴极发射电流的调制，在相同条件下本发明中电子注与调制微波互作用间隙的空间不到常规技术的十分之一。微波功率幅值愈大电子注的调制幅度也越大，同时，通过改变输入微波频率和强度可以得到不同频率和强度调制状态的电子注，实现宽频带调制；对于同一输入功率、频率的微波情况，通过提高上、下电极板的电位差，即增大静电场强度，也可以增大电子注的调制幅度。

互作用谐振腔的结构如下：互作用谐振腔主要由谐振腔壳体构成，在谐振腔壳体内相对的上下两端分别设置有电子注漂移管道，两个电子注漂移管道之间具有间隙，且位于上端的电子注漂移管道为收集极；在谐振腔壳体的一侧上还设置有凸出谐振腔壳体的外导体和位于外导体内的内导体，同时，在二者之间还设置有陶瓷输出窗片，且外导体、内导体和陶瓷输出窗片同轴；外导体中空并与谐振腔壳体连通；在谐振腔壳体内与内导体同侧还设置有耦合环，耦合环一端与内导体连接、另一端与谐振腔壳体内壁连接。调制电子注通过阵列式电子注输出孔进入电子注漂移管道，经过一段漂移，使电子注达到最佳群聚，然后再通过谐振腔，在谐振腔内激励起同频或倍频微波并与之进一步互作用，完成注波互作用，实现能量交换，最后通过耦合装置和陶瓷输出窗结构将谐振腔中的同频或倍频微波信号能量输出。

如图1所示，以制造一S波段的同频辐射源为例，本实施例的实现方式如下：

电子枪壳体：内径φ5.45mm、外径φ8mm、高度2mm，材料为99＃陶瓷，其下端与下电极板密封、上端与互作用谐振腔密封形成密封真空室。由微波输入层与下电极板及冷阴极、上电极板构成的电子枪枪芯横穿电子枪壳体，上电极板与下电极板之间的距离为0.2mm，阵列式电子注输出孔置于电子枪壳体内腔轴线位置，下电极板、电子枪枪芯两侧及上电极板顶面、谐振腔壳体通过电子枪壳体密封固定成一体；其中，下电极板尺寸（长×宽×厚）20×7×0.75mm，材质为无磁不锈钢，其上的冷阴极直径为φ2.8mm、厚1µm，材质为碳纳米管片材；微波输入层尺寸20×7×0.25mm，材料为聚四氟乙烯，中部的电子注与调制微波互作用间隙面积为7×7mm，高度与微波输入层厚相同；上电极板尺寸（长×宽×厚）20×7×0.05mm，材料为无磁不锈钢，在上电极板中部与电子注与调制微波互作用间隙对应范围内采用激光刻蚀20×20=400个边长为0.16×0.16mm阵列式方孔，作为电子注输出孔，即阵列式电子注输出孔。谐振腔体壳体内直径为φ61.2mm，腔体厚2mm，高度25mm，材质为铜，谐振腔内直径一般取λ/2（λ为工作频率对应波长），可根据具体需求进行优化；间隙长度可由间隙度越角根据具体需要确定。电子注漂移管道内直径为φ10.9mm；两个电子注漂移管道之间的间隙长度4.3mm。耦合环环体厚度1mm，环体宽度4mm，环轴向高度9mm，环径向宽度8mm；内导体内径1.5mm，外径3.5mm。同轴输出口采用材料99＃陶瓷的陶瓷输出窗片密封。将各部件焊接在一起，在排气台上排气，最后得到超高真空度的密封真空管。

应用时，上电极板接2000V直流电压，下电极7接地， 采用合适的碳纳米管冷片材作阴极，将频率为2.45GHz（也可为其他频率），功率为5W的微波E(t)从微波输入层左端输入，此时，阴极表面同时在静电场和高频场的作用下得到一个调制电子注，通过调节漂移管道的长度使电子注达到最佳群聚，然后再通过谐振腔，在谐振腔内激励起同频2.45GHz微波并与之进一步互作用，完成注波互作用，实现能量交换，最后通过通过耦合环和同轴结构输出微波，实现输入信号的同频/倍频放大输出。

如图3所示，以制造一C波段（4.9GHz）的2倍频辐射源，本实施例的实现方式如下：

以C波段（4.9GHz）2倍频辐射源为例，此倍频辐射源的结构与图1类似,封装与装配和同频辐射源一样，不同的是，其尺寸有部分不同。电子枪壳体内径φ2.67mm、外径φ5mm、高度1mm，材料为99＃陶瓷，其下端与下电极板密封、上端与互作用谐振腔体密封形成密封真空室，腔体材料为无氧铜。由微波输入层与下电极板及冷阴极、上电极板构成的电子枪枪芯横穿壳体，上电极板与下电极板之间的距离为0.2mm，阵列式电子注输出孔置于电子枪壳体内腔轴线位置，下电极板、电子枪枪芯两侧及上电极板顶面、谐振腔壳体通过电子枪壳体(密封固定成一体；其中，下电极板尺寸（长×宽×厚）10×4×0.75mm，材质为无磁不锈钢，其上的冷阴极直径为φ1.8mm、厚1µm，材料为碳纳米管片材；微波输入层尺寸（长×宽×厚）10×4×0.25mm，材料为聚四氟乙烯，中部的电子注与调制微波互作用间隙面积为4×4mm，高度与微波输入层厚相同；上电极板尺寸（长×宽×厚）10×4×0.05mm，材料为无磁不锈钢，在上电极板中部与电子注与调制微波互作用间隙对应范围内采用激光刻蚀20×20=400个边长为0.1×0.1mm的陈列式方孔，作为电子注输出孔，即阵列式电子注输出孔。谐振腔壳体内直径为φ30mm,腔体厚2mm，高度18mm，材质为铜。电子注漂移管道内直径为φ5.34mm，两个电子注漂移管道的间隙长度2.3mm。耦合环环体厚度0.5mm，环体宽度2mm，环轴向高度4.5mm，环径向宽度4mm；内导体内径0.75mm,外径1.5mm。同轴输出口使用材料99＃陶瓷输出窗片密封。将各部件焊接在一起，在排气台上排气，最后得到超高真空度的密封真空管。

应用时，上电极板接1800V直流电压，下电极板接地；采用合适的碳纳米管冷片材作阴极,将频率为2.45GHz（也可为其他频率），功率为0.1W的微波E(t)从微波输入层左端输入，此时，阴极表面同时在静电场和微波高频场的作用下得到一个发射电流密度被调制电子注，通过电子注漂移管道的长度使电子注达到最佳群聚，然后再通过谐振腔，在谐振腔内激励起倍频微波并与之进一步互作用，完成注波互作用，实现能量交换，最后通过通过耦合环和同轴结构输出微波，实现输入信号的同频/倍频放大输出。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种微波调制冷阴极微型辐射源，包括：

利用微波调制的冷阴极电子枪，用于作为电子源；

互作用谐振腔，与所述利用微波调制的冷阴极电子枪配合使用；

所述互作用谐振腔包括谐振腔壳体（2），两个相对并分别设置在所述谐振腔壳体（2）内部上、下两端的电子注漂移管道（12），两个电子注漂移管道（12）之间具有间隙，且位于上端的电子注漂移管道（12）为收集极（1）；

在所述谐振腔壳体（2）的一侧上还设置有凸出所述谐振腔壳体（2）的外导体（4-1）和位于所述外导体（4-1）内的内导体（4），同时，在二者之间还设置有陶瓷输出窗片（5），且所述外导体（4-1）、所述内导体（4）和所述陶瓷输出窗片（5）同轴；所述外导体（4-1）中空并与所述谐振腔壳体（2）连通；

在所述谐振腔壳体（2）内与所述内导体（4）同侧还设置有耦合环（3），所述耦合环（3）一端与所述内导体（4）连接、另一端与所述谐振腔壳体（2）内壁连接。

2.根据权利要求1所述的微波调制冷阴极微型辐射源，其特征在于，所述利用微波调制的冷阴极电子枪包括电子枪壳体（10），和由微波输入层（11）与下电极板（7）及冷阴极（8）、上电极板（6）构成的电子枪枪芯；

所述电子枪枪芯横穿所述电子枪壳体（10），所述微波输入层（11）设置于所述下电极板（7）和所述上电极板（6）之间，且其上下表面分别与所述上电极板（6）和所述下电极板（7）固定；

所述电子枪壳体（10）上端与所述互作用谐振腔密封形成真空室，其下端与所述下电极板（7）密封；

在所述微波输入层（11）的中段设有一正对所述电子注漂移管道（12）的电子注与调制微波互作用间隙（11-1），所述冷阴极（8）则嵌于所述电子注与调制微波互作用间隙（11-1）底部的所述下电极板（7）上，使得所述电子注漂移管道（12）对准电子枪电子注通道；

在所述上电极板（6）上正对所述冷阴极（8）和所述电子注与调制微波互作用间隙（11-1）的区域开设有阵列式电子注输出孔（9）；所述阵列式电子注输出孔（9）的各孔尺寸均小于微波波长。

3.根据权利要求2所述的微波调制冷阴极微型辐射源，其特征在于，所述阵列式电子注输出孔（9）置于所述电子枪壳体（10）内腔轴线位置，下电极板(7)、电子枪枪芯两侧及上电极板(6)顶面、谐振腔壳体(2)通过电子枪壳体(10)密封固定成一体。

4.根据权利要求2所述的微波调制冷阴极微型辐射源，其特征在于，所述阵列式电子注输出孔（9）通过激光刻蚀而成，其孔的形状为圆孔、方孔或条形孔。

5.根据权利要求2所述的微波调制冷阴极微型辐射源，其特征在于，所述微波输入层（11）为介电常数为2-10的绝缘介质。

6.如权利要求1-5任一项所述的微波调制冷阴极微型辐射源的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）上电极板接直流电压，下电极板接地的步骤；

（2）将微波从微波输入层左端输入的步骤；此时，冷阴极表面同时在静电场和微波产生的高频场的作用下得到一个调制电子注；

（3）调制电子注通过阵列式电子注输出孔进入电子注漂移管道的步骤；

（4）调制电子注在真空谐振腔中自激振荡，产生同频/倍频微波辐射，调制电子注能量转化为电磁波；

（5）通过耦合环和同轴结构输出微波，实现输入信号的同频/倍频放大输出。