CN109088610B - 一种冷阴极正交场放大器及其应用结构 - Google Patents

一种冷阴极正交场放大器及其应用结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及真空电子器件技术领域，公开了一种冷阴极正交场放大器及其应用结构。通过本发明创造，提供了一种采用冷阴极替代热阴极并实现与高频系统相配合的新型正交场放大器及其应用结构，不但简化了器件结构和电源设计，减小了整个器件的体积，还能够使来自高频系统的高频信号可对由冷阴极场致发射的电子流进行直接调制，并伴随着高频电磁波的能量增强，可放大场发射调制效应，进而使调制电子流更加易于与高频电磁波发生注波互作用及进行能量交换，实现对输入的高频信号进行放大的目的。

Description

一种冷阴极正交场放大器及其应用结构
技术领域
本发明属于真空电子器件技术领域，具体涉及一种冷阴极正交场放大器及其应用结构。
背景技术
冷阴极是一类重要的阴极，通常采用场致发射，由于其不需要加热从而除去了热阴极装置中所必不可少的加热组件，大幅度地简化了阴极结构，具有启动速度快、不受温度波动和辐射的影响、功耗低等优点，有望成为新一代真空电子器件的理想电子发射源。
正交场放大器(Crossed Field Amplifier，CFA)是具有种类繁多和性能优越等特点的一种正交场器件，因为其具有电压小、效率高、成本低等一系列的特点，被国防装备大量使用。在正交场放大管中,因为前向波放大管发射机具有所需工作电压低、转换效率高、瞬时带宽较宽，并且相位稳定性好、重量较轻、体积较小等特点，所以正交场放大管在现代雷达中应用得很多。
现有正交场放大器中的阴极大多为热阴极，在热阴极中需要额外配置灯丝，使得器件结构较为复杂和体积较大，不但限制了工作可靠性的提高，还难以将其与高频系统相配合，实现高频信号的放大目的。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的热阴极缺点、器件体积较大和不易与高频系统相配合的问题，本发明目的在于提供一种冷阴极正交场放大器及其应用结构。
本发明所采用的技术方案为：
一种冷阴极正交场放大器，包括圆柱形腔体、阴极导电柱、绝缘挡板和慢波结构柱体，其中，所述阴极导电柱的外周表面设有冷阴极材料层；
所述圆柱形腔体为由圆柱形导电外壳体、第一导电板、第一绝缘板、第二导电板和第二绝缘板围成的密闭真空腔，其中，所述第一导电板同轴设置在所述圆柱形腔体的顶面且通过所述第一绝缘板连接所述圆柱形导电外壳体的顶面板，所述第二导电板同轴设置在所述圆柱形腔体的底面且通过所述第二绝缘板连接所述圆柱形导电外壳体的底面板，在所述圆柱形导电外壳体的外周壁体上开有一对环向对称设置且尺寸相同的高频信号输入接口和高频信号输出接口；
所述阴极导电柱竖直设置在所述圆柱形腔体的中轴线上，并使所述阴极导电柱的上端面连接所述第一导电板，使所述阴极导电柱的下端面连接所述第二导电板；
所述绝缘挡板竖直设置在所述圆柱形腔体中且位于所述高频信号输入接口与所述高频信号输出接口之间的对称线上，并使所述绝缘挡板的上端面连接所述顶面板，使所述绝缘挡板的下端面连接所述底面板，使所述绝缘挡板的外侧面连接所述外周壁体；
所述慢波结构柱体的数目为若干个且沿环向等间距地竖直布置在所述圆柱形腔体中，并使所述慢波结构柱体的上端面连接所述顶面板，使所述慢波结构柱体的下端面连接所述底面板；
在所述高频信号输入接口和所述高频信号输出接口中分别设有用于密封对应接口的绝缘窗片和与对应接口同轴的导电杆，所述导电杆的一端穿过对应的绝缘窗片，两导电杆的另一端分别连接一对相邻的慢波结构柱体，所述绝缘挡板处于前述相邻的两慢波结构柱体之间。
优化的，在所述外周壁体上还开设有抽气孔。
优化的，所述慢波结构柱体的横截面为T形面，并使所述慢波结构柱体的T形头部朝向所述阴极导电柱。
优化的，所述慢波结构柱体的数目介于4～100个。
优化的，所述阴极导电柱与所述慢波结构柱体的间距介于3～5mm之间。
优化的，所述冷阴极材料层为厚度介于0.5～2um的碳纳米层。
优化的，所述绝缘挡板、第一绝缘板、第二绝缘板或所述绝缘窗片由陶瓷材质制成。
优化的，所述圆柱形导电外壳体、所述第一导电板、所述第二导电板或所述导电杆由无氧铜制成。
本发明所采用的另一种技术方案为：
一种冷阴极正交场放大器的应用结构，包括高压直流电源、N极性永磁体、S极性永磁体和如前所述的冷阴极正交场放大器；
所述高压直流电源的正极电连接所述冷阴极正交场放大器中的圆柱形导电外壳体，所述高压直流电源的负极电连接所述冷阴极正交场放大器中的第一导电板和/或第二导电板；
所述N极性永磁体和所述S极性永磁体分别设置在所述冷阴极正交场放大器的上下两方。
优化的，所述N极性永磁体和所述S极性永磁体分别为由铁氧体材质制成的板体。
本发明的有益效果为：
(1)本发明创造提供了一种采用冷阴极替代热阴极并实现与高频系统相配合的新型正交场放大器及其应用结构，不但简化了器件结构和电源设计，减小了整个器件的体积，还能够使来自高频系统的高频信号可对由冷阴极场致发射的电子流进行直接调制，并伴随着高频电磁波的能量增强，可放大场发射调制效应，进而使调制电子流更加易于与高频电磁波发生注波互作用及进行能量交换，实现对输入的高频信号进行放大的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的冷阴极正交场放大器的横向剖视结构示意图。
图2是本发明提供的冷阴极正交场放大器的应用结构的竖向剖视结构示意图。
图3是本发明提供的冷阴极正交场放大器在应用时的腔体内电场矢量图。
上述附图中：1-圆柱形腔体；2-阴极导电柱；201-冷阴极材料层；3-绝缘挡板；4-慢波结构柱体；5-圆柱形导电外壳体；501-顶面板；502-底面板；503-外周壁体；601-第一导电板；602-第二导电板；701-第一绝缘板；702-第二绝缘板；8-高频信号输入接口；9-高频信号输出接口；10-绝缘窗片；11-导电杆；12-抽气孔；21-高压直流电源；22-N极性永磁体；23-S极性永磁体。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
实施例一
如图1～3所示，本实施例提供的所述冷阴极正交场放大器，包括圆柱形腔体1、阴极导电柱2、绝缘挡板3和慢波结构柱体4，其中，所述阴极导电柱2的外周表面设有冷阴极材料层201。
所述圆柱形腔体1为由圆柱形导电外壳体5、第一导电板601、第一绝缘板701、第二导电板602和第二绝缘板702围成的密闭真空腔，其中，所述第一导电板601同轴设置在所述圆柱形腔体1的顶面且通过所述第一绝缘板701连接所述圆柱形导电外壳体5的顶面板501，所述第二导电板602同轴设置在所述圆柱形腔体1的底面且通过所述第二绝缘板702连接所述圆柱形导电外壳体5的底面板502，在所述圆柱形导电外壳体5的外周壁体503上开有一对环向对称设置且尺寸相同的高频信号输入接口8和高频信号输出接口9。所述圆柱形腔体1用于提供真空环境，确保内部的电场和磁场不会受其它因素的影响，其具体尺寸可设计半径r2＝10mm，高度h1＝8mm。所述圆柱形导电外壳体5用于构建密封所述圆柱形腔体1的主体，并使内部的所有慢波结构柱体4能够电连接0电位或高压直流电源的正极，其可以但不限于由无氧铜制成。所述第一导电板601和所述第二导电板602用于使处于所述圆柱形腔体1中的所述阴极导电柱2能够电连接负高电位或高压直流电源的负极，它们可以但不限于由无氧铜制成。所述高频信号输入接口8用于导入高频信号，所述高频信号输出接口9用于导出经放大的高频信号。所述第一绝缘板701和所述第二绝缘板702用于绝缘隔离0电位和负高压电位，它们可以但不限于由陶瓷材质制成。
所述阴极导电柱2竖直设置在所述圆柱形腔体1的中轴线上，并使所述阴极导电柱2的上端面连接所述第一导电板601，使所述阴极导电柱2的下端面连接所述第二导电板602。由于在所述阴极导电柱2的外周表面设有冷阴极材料层201，即可在所述圆柱形腔体1的中轴处形成一个可实现场制发射电子的冷阴极。优化的，所述冷阴极材料层201为厚度介于0.5～2um的碳纳米层，具体的，在本实施例中，所述阴极导电柱2的半径r1＝2mm，所述冷阴极材料层201为厚度可举例为1um。
所述绝缘挡板3竖直设置在所述圆柱形腔体1中且位于所述高频信号输入接口8与所述高频信号输出接口9之间的对称线上，并使所述绝缘挡板3的上端面连接所述顶面板501，使所述绝缘挡板3的下端面连接所述底面板502，使所述绝缘挡板3的外侧面连接所述外周壁体503。所述绝缘挡板3用于遮挡高频信号从所述高频信号输入接口8直接导向所述高频信号输出接口9，延长高频电磁波的传播路径，其可以但不限于由陶瓷材质制成，其厚度可具体为0.5mm。
所述慢波结构柱体4的数目为若干个且沿环向等间距地竖直布置在所述圆柱形腔体1中，并使所述慢波结构柱体4的上端面连接所述顶面板501，使所述慢波结构柱体4的下端面连接所述底面板502。所述慢波结构柱体4用于在所述圆柱形腔体1中实现加强环向运动电子与电磁场的相互作用目的，使电子流的能量更有效地转换成高频电磁波的能量，如图1所述，其横截面优先为T形面，并使所述慢波结构柱体4的T形头部朝向所述阴极导电柱2，具体的，T型面的结构尺寸可为L1＝2mm，L2＝0.5mm，L3＝2.5mm，L4＝1mm。此外，所述慢波结构柱体4的数目介于4～100个，如图1所示，所述慢波结构柱体4的数目为8个。
在所述高频信号输入接口8和所述高频信号输出接口9中分别设有用于密封对应接口的绝缘窗片10和与对应接口同轴的导电杆11，所述导电杆11的一端穿过对应的绝缘窗片10，两导电杆11的另一端分别连接一对相邻的慢波结构柱体4，所述绝缘挡板3处于前述相邻的两慢波结构柱体4之间。所述绝缘窗片10用于确保腔内的真空环境，其可以但不限于由陶瓷材质制成。所述导电杆11用于导入或导出电信号，其可以但不限于由无氧铜制成。
如图3所示，前述冷阴极正交场放大器的工作原理如下：(1)在所述圆柱形腔体1中施加有垂直的磁场、在所述阴极导电柱2接上负高压电位和在所述慢波结构柱体4接上0电位时，电子流由所述阴极导电柱2出发，并在相互正交的电场和磁场作用下，沿着环向电子通道在所述圆柱形腔体1中运动；(2)由所述高频信号输入接口8导入一个高频信号，高频信号进入所述圆柱形腔体1后产生高频电磁波，并与电子流进行互作用：在高频电磁波的作用下，对电子流进行了速度和密度调制，同时进行电子流与高频电磁波的能量交换，使电子流将一部分能量交给高频电磁波，放大高频电磁波的能量，使得在所述高频信号输出接口9输出放大的高频信号。例如在施加磁场的大小为0.15T、在所述阴极导电柱2接入负高压10～45KV和在所述慢波结构柱体4接入0电位时，则该器件的工作频率可高达为25.8GHZ，腔内环向电子流可达0.3～1A，高频信号的输出功率可达到1KW以上。此外，与高频电磁波互作用之后的电子流一部分打在所述慢波结构柱体4上，一部分返回所述阴极导电柱2，同时在所述高频信号输出接口9处，对于尚未被所述慢波结构柱体4收集的电子，在越过所述绝缘挡板3后，将再一次进入环向电子通道进行能量交换，直道打到所述慢波结构柱体4上或所述阴极导电柱2上为止。
由此通过如前所述的、采用冷阴极替代热阴极并实现与高频系统相配合的新型正交场放大器，不但简化了器件结构和电源设计，减小了整个器件的体积，还能够使来自高频系统的高频信号可对由冷阴极场致发射的电子流进行直接调制，并伴随着高频电磁波的能量增强，可放大场发射调制效应，进而使调制电子流更加易于与高频电磁波发生注波互作用及进行能量交换，实现对输入的高频信号进行放大的目的。
优化的，在所述外周壁体503上还开设有抽气孔12。如图2所示，在安装内部元件并实现器件密封后，可以通过所述抽气孔12实现抽气目的，使所述圆柱形腔体1成为真空度可达到1为-5帕以上的真空腔，在抽气完成后需要夹断并密封该抽气孔12。
优化的，所述阴极导电柱2与所述慢波结构柱体4的间距介于3～5mm之间。
综上，采用本实施例所提供的冷阴极正交场放大器，具有如下技术效果：
(1)本实施例提供了一种采用冷阴极替代热阴极并实现与高频系统相配合的新型正交场放大器，不但简化了器件结构和电源设计，减小了整个器件的体积，还能够使来自高频系统的高频信号可对由冷阴极场致发射的电子流进行直接调制，并伴随着高频电磁波的能量增强，可放大场发射调制效应，进而使调制电子流更加易于与高频电磁波发生注波互作用及进行能量交换，实现对输入的高频信号进行放大的目的。
实施例二
如图2～3所示，本实施例作为实施例一的一种具体应用结构，包括高压直流电源21、N极性永磁体22、S极性永磁体23和如实施例一所述的冷阴极正交场放大器；所述高压直流电源21的正极电连接所述冷阴极正交场放大器中的圆柱形导电外壳体5，所述高压直流电源21的负极电连接所述冷阴极正交场放大器中的第一导电板601和/或第二导电板602；所述N极性永磁体22和所述S极性永磁体23分别设置在所述冷阴极正交场放大器的上下两方。如图2所示，所述N极性永磁体22和所述S极性永磁体23用于向所述圆柱形腔体1中施加垂直的磁场，它们优选为由铁氧体材质制成的板体。
本实施例提供所述应用结构的工作原理及技术效果，与实施例一相同，于此不再赘述。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种冷阴极正交场放大器，其特征在于：包括圆柱形腔体(1)、阴极导电柱(2)、绝缘挡板(3)和慢波结构柱体(4)，其中，所述阴极导电柱(2)的外周表面设有冷阴极材料层(201)；
所述圆柱形腔体(1)为由圆柱形导电外壳体(5)、第一导电板(601)、第一绝缘板(701)、第二导电板(602)和第二绝缘板(702)围成的密闭真空腔，其中，所述第一导电板(601)同轴设置在所述圆柱形腔体(1)的顶面且通过所述第一绝缘板(701)连接所述圆柱形导电外壳体(5)的顶面板(501)，所述第二导电板(602)同轴设置在所述圆柱形腔体(1)的底面且通过所述第二绝缘板(702)连接所述圆柱形导电外壳体(5)的底面板(502)，在所述圆柱形导电外壳体(5)的外周壁体(503)上开有一对环向对称设置且尺寸相同的高频信号输入接口(8)和高频信号输出接口(9)；
所述阴极导电柱(2)竖直设置在所述圆柱形腔体(1)的中轴线上，并使所述阴极导电柱(2)的上端面连接所述第一导电板(601)，使所述阴极导电柱(2)的下端面连接所述第二导电板(602)；
所述绝缘挡板(3)竖直设置在所述圆柱形腔体(1)中且位于所述高频信号输入接口(8)与所述高频信号输出接口(9)之间的对称线上，并使所述绝缘挡板(3)的上端面连接所述顶面板(501)，使所述绝缘挡板(3)的下端面连接所述底面板(502)，使所述绝缘挡板(3)的外侧面连接所述外周壁体(503)；
所述慢波结构柱体(4)的数目为若干个且沿环向等间距地竖直布置在所述圆柱形腔体(1)中，并使所述慢波结构柱体(4)的上端面连接所述顶面板(501)，使所述慢波结构柱体(4)的下端面连接所述底面板(502)；
在所述高频信号输入接口(8)和所述高频信号输出接口(9)中分别设有用于密封对应接口的绝缘窗片(10)和与对应接口同轴的导电杆(11)，所述导电杆(11)的一端穿过对应的绝缘窗片(10)，两根所述导电杆(11)的另一端分别一一对应地连接一对相邻的两个所述慢波结构柱体(4)，所述绝缘挡板(3)处于前述相邻的两个所述慢波结构柱体(4)之间。
2.如权利要求1所述的一种冷阴极正交场放大器，其特征在于：在所述外周壁体(503)上还开设有抽气孔(12)。
3.如权利要求1所述的一种冷阴极正交场放大器，其特征在于：所述慢波结构柱体(4)的横截面为T形面，并使所述慢波结构柱体(4)的T形头部朝向所述阴极导电柱(2)。
4.如权利要求1所述的一种冷阴极正交场放大器，其特征在于：所述慢波结构柱体(4)的数目介于4～100个。
5.如权利要求1所述的一种冷阴极正交场放大器，其特征在于：所述阴极导电柱(2)与所述慢波结构柱体(4)的间距介于3～5mm之间。
6.如权利要求1所述的一种冷阴极正交场放大器，其特征在于：所述冷阴极材料层(201)为厚度介于0.5～2um的碳纳米层。
7.如权利要求1所述的一种冷阴极正交场放大器，其特征在于：所述绝缘挡板(3)、第一绝缘板(701)、第二绝缘板(702)或所述绝缘窗片(10)由陶瓷材质制成。
8.如权利要求1所述的一种冷阴极正交场放大器，其特征在于：所述圆柱形导电外壳体(5)、所述第一导电板(601)、所述第二导电板(602)或所述导电杆(11)由无氧铜制成。
9.一种冷阴极正交场放大器的应用结构，其特征在于，包括高压直流电源(21)、N极性永磁体(22)、S极性永磁体(23)和如权利要求1～8任意一项所述的冷阴极正交场放大器；
所述高压直流电源(21)的正极电连接所述冷阴极正交场放大器中的圆柱形导电外壳体(5)，所述高压直流电源(21)的负极电连接所述冷阴极正交场放大器中的第一导电板(601)和/或第二导电板(602)；
所述N极性永磁体(22)和所述S极性永磁体(23)分别设置在所述冷阴极正交场放大器的上下两方。
10.如权利要求9所述的一种冷阴极正交场放大器的应用结构，其特征在于，所述N极性永磁体(22)和所述S极性永磁体(23)分别为由铁氧体材质制成的板体。
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