CN109801823A - 一种基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波、毫米波及太赫兹频段电真空器件领域，具体为一种基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构，用以解决现有技术中注波互作用结构无法有效提高输出功率和效率的问题。本发明包括高频互作用结构、与高频互作用结构一端密封连接的冷阴极电子枪、与高频互作用结构另一端密封连接的输出系统，高频互作用结构内部真空且被横向金属隔板和纵向金属隔板分割成了多个互作用间隙，互作用间隙之间通过耦合缝相互连通；本发明利用金属隔板的作用，使其抑制了基模的产生并工作于高次模下，实现多电子注与高次模的互作用，增大了注波互作用区域，提高了输出功率和效率。
Description
技术领域
本发明涉及微波、毫米波及太赫兹频段电真空器件领域，具体的说是一种涉及冷阴极的多电子注且工作于高次模下的注波互作用结构。
背景技术
微波、毫米波电真空器件作为雷达、电子对抗、空间通信等军事电子系统不可缺少的核心器件，一直受到广泛重视。把传统的微波管向毫米波段、亚毫米波段以及太赫兹频段拓展，至今仍是人们不断努力的方向，并取得了很大成就。毫米波行波管、速调管、返波管和磁控管等都已达到了很的高水平。尽管传统微波管向毫米波段的发展取得了很大的成绩，但是沿着这一方向继续前进会遇到原则性的限制。传统微波管的高频系统尺寸与工作波长必须具有共度性，随着器件工作频率的不断提高，高频系统的尺寸越来越小，以致无法加工制造；正是这一原因成为传统微波管向毫米波段及更短的亚毫米波段发展的严重障碍。互作用空间变得十分窄小，允许通过的电子流很小，管子的功率容量受到极大限制，而对阴极和聚焦系统则提出了十分苛刻的要求。
传统的电真空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，热发射阴极工艺非常成熟，被广泛应用于各类电真空器件中，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下，阴极加热用的灯丝容易断裂和短路，导致器件损害；另一方面由于工作时需要较长时间加热，不但增加了系统的复杂性，还降低了系统效率；此外由于热阴极结构复杂，阴极温度高也是电真空辐射源器件难以集成的主要原因之一。微型电真空辐射源器件相比热阴极电真空器件它具有体积小、可集成等特点，在微型电真空辐射源器件中首先需要采用场致发射冷阴极来解决自由电子源的产生，它是利用外部强电场来使发射体表面势垒高度降低，同时宽度变窄，当势垒宽度窄到可以同电子波长相比拟时，发射体内部电子就会由于隧道效应而逸出所产生的电子发射。目前场致发射冷阴极可集成微型电真空器件的发展仍受到很多方面的制约，其中最主要的原因就是在可集成微型电真空器件中，由于器件尺寸小，导致注波互作用的空间也会很小，所以器件的输出功率和效率也会大大降低，同样，太小的尺寸也制约了阴极的电流发射密度。所以，研究如何增大器件的效率使其工作在更高频段成为发展可集成微型电真空器件的关键之一。
电真空器件的高频互作用系统作为注波互作用的场所对整管的输出功率和效率起着决定性的影响，而平时所研制的电真空器件的高频系统大多工作在基模，这虽然有利于单模输出和减小模式竞争，但越往更高频段发展，器件的尺寸就会越小，相应的输出功率和效率就会降低。而高次模可以增大器件的尺寸，使其注波互作用的空间增大，从而提高器件的输出功率和效率；所以，对于高次模的研究是发展电真空器件的方向之一。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术存在的不足，提供一种基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构，使其能够在太赫兹频段下增大输出功率和效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构，包括：高频互作用结构、与高频互作用结构一端密封连接的冷阴极电子枪、与高频互作用结构另一端密封连接的输出系统；
其特征在于，所述高频互作用结构包括：金属外壳、M个横向金属隔板及N个纵向金属隔板，其中，M、N均为≥1的正整数；所述金属外壳由上极板、下极板、左极板、右极板、前极板与后极板密封连接构成；所述横向金属隔板固定于金属外壳左、右极板之间，所述纵向金属隔板固定于前、后极板之间，共同将金属外壳内腔分隔为(M+1)×(N+1)个相同结构的互作用间隙；所述横向金属隔板与前极板上均开设有电子注通道，与互作用间隙一一对应，且每个电子注通道贯穿于互作用间隙的中心位置，使整个结构具有N+1个电子注通道；所述横向金属隔板、纵向金属隔板与上、下极板均保持有间距，形成连通各个互作用间隙的耦合缝，且上极板上开设有输出耦合孔。
进一步的，所述横向金属隔板与纵向金属隔板均设置于高次模下的电场为零处。
进一步的，所述高频互作用结构呈周期性结构，所述输出耦合孔位于高频互作用结构中最后一个周期的正上方。
进一步的，所述冷阴极电子枪包括：电子枪外壳、电子枪底座、阴极支杆和阴极发射体，所述阴极支杆一端与电子枪底座相连，另一端与阴极发射体相连；电子枪外壳一端与高频互作用结构外壳密封连接，另一端与电子枪底座相连。冷阴极电子枪作为电子的发射源，为注波互作用结构提供电子注。
进一步的，所述输出系统包括：输出波导与输出窗片，所述输出波导呈漏斗状，其底端通过输出耦合孔与高频互作用结构连通、顶端与输出窗片密封连接。
从工作原理上讲：本发明中，所述高频互作用结构被金属外壳包裹，金属外壳内部高频互作用结构真空，该结构由一段两端短路的慢波系统构成，具有多个相互耦合的互作用间隙，电子注在各个间隙内与高频场相互作用，既有速度调制又有密度调制，同时由于高频场能量可以通过耦合缝的作用在各个间隙内相互耦合，增强了前部分间隙的电场对电子注的调制，使得电子注能够在较短的距离内获得良好的调制，两端短路的周期结构慢波系统既有谐振腔的特点，又具有慢波线的特点，电子注在高频互作用结构内周期性地与高频场发生互作用，一定程度上增加了注波互作用长度，相比于传统的电真空器件的注波互作用结构，本发明的注波互作用结构能够获得更高的输出功率和效率。传统的注波互作用结构大多工作在基模且与单个电子注进行注波互作用，这对提高真空电子器件的频率和输出功率是不利的，另外相比于基模而言，工作于高次模的注波互作用结构，电子注与高频场的互作用区域更大，这样就可以使得在起振电流不变的情况下，增大冷阴极电子枪的发射面积，从而降低电子注的束流密度，同样工作于高次模的注波互作用结构比基模的输出功率更大且效率更高。但工作于高次模的注波互作用结构，由于会有基模的产生和模式竞争的影响，对提高注波互作用结构的输出功率和效率也是不利的，而本发明中，结构内部被金属隔板分割成了多个互作用间隙，并把金属隔板设置于高次模下的电场为零处，这样既使其工作于高次模，也抑制了基模的产生，且其对内部的场分布也不做影响。本发明注波互作用结构中，工作于高次模的高频场和多注电子注在多个互作用间隙内发生能量交换，增大了电子注与高频场的互作用区域，使得注波互作用效率和输出功率得到了提高。需要注意的是注波互作用结构内部纵向金属隔板和横向金属隔板的数量可以分别为N和M，其中，N、M均为≥1的正整数，使其具有M+1个周期和N+1个电子注，这样在整个注波互作用过程中，以输出系统的输出波导方向为整个结构的电磁波传播方向，则本注波互作用结构的工作模式为TEN+1,1模。
另外，在高频互作用结构上加上输出系统后，由于局部的边界条件发生了变化，对内部波的产生和传播必然造成影响，破坏原有的谐振条件，因此输出口的设置也至关重要；由于本发明设计的器件是一类慢波谐振系统，所以在某种意义上就是一个谐振腔，那么在谐振腔里面电磁波以驻波形式存在；假如在腔体里面驻波理想分布，输出口就可以设置在谐振腔上部，使其让电磁波以横向输出。本发明把输出口设置在高频互作用结构的最后一个周期(即最靠近收集级(后极板)的一排互作用间隙)的正上方，这样做的目的是为了消除高次模式之间的模式竞争，使电子注在高频结构内与单一模式发生注波互作用。同时为了便于器件与其它的外部设备连接的需要，最后的输出口为标准波导结构，但又为了提高输出功率和效率，将整个输出系统做成一个漏斗形的波导结构且顶部密封了一层输出窗片。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构，工作于高次模的注波互作用结构，电子注与高频场的互作用区域更大，能够使得在起振电流不变的情况下，增大冷阴极电子枪的发射面积，从而降低电子注的束流密度，同样工作于高次模的高频场和多注电子注在多个互作用间隙内发生能量交换，提高了注波互作用效率和输出功率。
附图说明
图1是本发明一种基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构示意图；
图2为本发明实施例中基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构在TE3,模工作时的电场分布图；
图1中：1.注波互作用结构外壳，1-1.上极板，1-2.下极板，1-3.左极板，1-4.右极板，1-5.前极板，1-6.后极板，2.电子注通道，3.互作用间隙，4.横向金属隔板，5.纵向金属隔板，6.输出系统，6-1.耦合孔，6-2.输出波导，6-3.输出窗片，7.冷阴极电子枪，7-1.电子枪底座，7-2.阴极支杆，7-3.阴极发射体，7-4.电子枪外壳。
具体实施方法
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例
本实施例提供一种基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构，本实施例以用于0.1THz频段的基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构为例：
如图1所示，是本实施例基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构的示意图，包括：高频互作用结构、与高频互作用结构一端密封连接的冷阴极电子枪、与高频互作用结构另一端密封连接的收集级和设置于高频互作用结构顶部的输出系统；
其中，冷阴极电子枪7包括：电子枪外壳、电子枪底座、3个阴极支杆和3个阴极发射体，阴极支杆7-2一端与阴极发射体7-3密封焊接，另一端密封焊接在电子枪底座上；阴极发射体连同阴极支杆必须与前极板的电子注通道相对应，本实施例中，相邻阴极支杆相距3.72mm；电子枪外壳7-4一端与注波互作用结构外壳的前极板1-5密封焊接，另一端与电子枪底座7-1密封焊接，本实施例中，所述电子枪底座7-1的尺寸为：长8mm、宽0.5mm、高7mm，材质为无氧铜制；电子枪外壳7-4外腔的尺寸为：长8mm、宽3mm、高7mm，内腔尺寸为：长6mm、宽3mm、高5mm，腔壁厚1mm、材质为99#陶瓷；每个阴极支杆7-2的尺寸为：长0.4mm、宽1mm、高2.6mm，材质为无磁不锈钢；每个阴极发射体7-3的尺寸为：长0.2mm、宽0.3mm、高2.6mm，材质为碳纳米管或石墨烯；
其中，注波互作用结构由外壳1所包裹，注波互作用结构外壳1由上极板1-1、下极板1-2、左极板1-3、右极板1-4、前极板1-5和后极板1-6密封焊接而成，需要说明的是，其中前极板即作为阳极板、后极板即作为收集级；上极板1-1与下极板1-2结构尺寸相同，其长边长为7.58mm、宽边长为4.6mm、厚度为1mm，材质为金属铜；左极板1-3与右极板1-4结构尺寸相同，其长边长为5.3mm、宽边长为4.6mm、厚度为1mm，材质为金属铜；前极板1-5与后极板1-6结构尺寸相同，其长边长为7.58mm、宽边长为5.3mm、厚度为1mm，材质为金属铜；在前极板上开有带状电子注通道2，每个电子注通道必须与横向金属隔板上的电子注通道相对应；电子注通道2的尺寸为：长0.16mm、宽0.4、高2.6mm；注波互作用结构内部真空且插有横向金属隔板4和纵向金属隔板5，横向金属隔板一端与左极板1-3密封焊接另一端与右极板1-4密封焊接，横向金属隔板上开有带状电子注通道2，前后通道相互对应，横向金属隔板4的长边长为5.58mm、宽边长为4.5mm、厚度为0.4mm，材质为金属铜；纵向金属隔板5穿过横向金属隔板并一端与前极板1-5密封焊接、另一端与后极板1-6密封焊接，纵向金属隔板5的长边长为5.3mm、宽边长为3.7mm、厚度为0.3mm，材质为金属铜；横向金属隔板和纵向金属隔板把内部腔体分割成了多个互作用间隙，单个互作用间隙3的尺寸为：长1.86mm、宽0.52mm、高4.5mm；由于横向金属隔板和纵向金属隔板的高度均小于整个注波互作用腔体的高度，使得金属隔板与上下极板间没有相连接，这样在腔体上部和腔体下部就形成了连通各个互作用间隙的耦合缝；互作用间隙在纵向上通过上部和下部的耦合缝进行耦合连通，使腔体内部构成慢波场；如图1所示，本实施例中设置了2个纵向金属隔板和4个横向金属隔板，使其在横向上工作于TM3,1模，在纵向上工作于2π模；每个横向金属隔板上开有3个电子注通道，每个电子注通道贯穿于互作用间隙中心位置，相邻两个电子注通道纵向相距0.92mm，相邻两个电子注通道横向相距为3.72mm，两边的电子注通道距离左右极板1.86mm；
输出系统6与上极板1-1密封焊接，高频互作用结构通过耦合孔6-1与输出波导6-2相连通；耦合孔6-1的尺寸为：长5.58mm、宽0.52mm；输出波导6-2外腔的尺寸为：长7.58mm、宽2.06mm、高2.5mm，内腔的尺寸为：长7.08mm、宽为1.56mm、高为2mm，腔壁厚0.5mm，材质为无氧铜；输出波导上端与输出窗片6-3密封焊接，输出窗片的尺寸为：长7.08mm、宽1.56mm、高0.5mm，材质为氧化铝陶瓷；
利用微波电真空器件工艺将注波互作用结构各个部件进行组装焊接成为一个整体，并进行真空排气，使得整个器件内部形成绝对的真空环境。
本实施例中一种基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构工作过程如下：
冷阴极电子枪7接负高压，注波互作用结构外壳1接地，冷阴极电子枪7与注波互作用结构外壳1之间形成的电势差作用于阴极发射体7-3表面，阴极发射体7-3在强电场的作用下发射出电子，发射出的电子注通过注波互作用结构的电子注通道2进入内部高频互作用结构，由于内部高频互作用结构的边界条件不连续性，在内部腔体激励起了多个模式的高频场，高频场又反过来作用于电子注，使电子注在各个互作用间隙3内与高频场发生相互作用，既有速度调制又有密度调制，通过整个外壳1内形成的腔体的选频作用以及冷阴极电子枪7与注波互作用结构外壳1之间形成的特定电势差，电子注与特定模式的高频场发生注波互作用，同时由于高频场能量可以通过耦合缝的作用在各个互作用间隙3内相互耦合，增强了前部分间隙的电场对电子注的调制，使得电子注能够在较短的距离内获得良好的调制，电子注持续与高频场发生能量交换，辐射出的高频电磁信号通过耦合孔6-1进入输出波导6-2，然后在输出窗片6-3上进行输出。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (5)
1.一种基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构，包括：高频互作用结构、与高频互作用结构一端密封连接的冷阴极电子枪、与高频互作用结构另一端密封连接的输出系统；
其特征在于，所述高频互作用结构包括：金属外壳、M个横向金属隔板及N个纵向金属隔板；所述金属外壳由上极板、下极板、左极板、右极板、前极板与后极板密封连接构成；所述横向金属隔板固定于金属外壳左、右极板之间，所述纵向金属隔板固定于前、后极板之间，共同将金属外壳内腔分隔为(M+1)×(N+1)个相同结构的互作用间隙；所述横向金属隔板与前极板上均开设有电子注通道，与互作用间隙一一对应，且每个电子注通道贯穿于互作用间隙的中心位置；所述横向金属隔板、纵向金属隔板与上、下极板均保持有间距，形成连通各个互作用间隙的耦合缝，且上极板上开设有输出耦合孔。
2.按权利要求1所述基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构，其特征在于，所述横向金属隔板与纵向金属隔板均设置于高次模下的电场为零处。
3.按权利要求1所述基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构，其特征在于，所述高频互作用结构呈周期性结构，所述输出耦合孔位于高频互作用结构中最后一个周期的正上方。
4.按权利要求1所述基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构，其特征在于，所述冷阴极电子枪包括：电子枪外壳、电子枪底座、阴极支杆和阴极发射体，所述阴极支杆一端与电子枪底座相连，另一端与阴极发射体相连；电子枪外壳一端与高频互作用结构外壳密封连接，另一端与电子枪底座相连。
5.按权利要求1所述基于冷阴极的多注高次模注波互作用结构，其特征在于，所述输出系统包括：输出波导与输出窗片，所述输出波导呈漏斗状，其底端通过输出耦合孔与高频互作用结构连通、顶端与输出窗片密封连接。
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2019
- 2019-02-15 CN CN201910116678.9A patent/CN109801823B/zh not_active Expired - Fee Related
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