CN109872935A - 一种基于冷阴极的多注高次模阵列式高频互作用系统 - Google Patents

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阵列式高频互作用系统，用以解决现有技术中高频互作用系统无法有效提高输出功率和效率的问题，同时也为电真空器件的微型化、集成化提供了合理的解决方案。本发明中阵列式高频互作用系统包括冷阴极电子枪、密封连接于冷阴极电子枪上的阳极板、及密封连接于阳极板上的多个高频互作用单元；每个高频互作用单元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；通过把高频互作用单元和冷阴极电子枪阵列式的排布，提高了整个系统的输出功率和效率。

Description

一种基于冷阴极的多注高次模阵列式高频互作用系统

技术领域

本发明涉及微波、毫米波以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阵列式高频互作用系统。

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

本发明的目的是针对背景技术存在的不足，研究设计一种基于冷阴极的多注高次模阵列式高频互作用系统，使其能够在微波、毫米波以及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阵列式高频互作用系统，包括冷阴极电子枪、密封连接于冷阴极电子枪上的阳极板、及密封连接于阳极板上的Q个高频互作用单元；其特征在于，

所述高频互作用单元包括互作用谐振腔及输出系统，所述互作用谐振腔由上极板、下极板、左极板、右极板和后极板密封连接而成，互作用谐振腔内设置有M个横向金属隔板和N个纵向金属隔板；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后极板与阳极板之间，共同将金属外壳内腔分隔为(M+1)×(N+1)相同结构的互作用间隙；所述横向金属隔板与阳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；所述上极板上开设有输出耦合孔，所述输出系统通过输出耦合孔与互作用谐振腔连通；

所述冷阴极电子枪包括：电子枪外壳、电子枪底座、Q×(N+1)个阴极支杆和Q×(N+1)个阴极发射体，电子枪外壳一端与电子枪底座相连、另一端与阳极板密封连接；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，且阴极支杆与阳极板上电子注通道一一对应。

其中，M、N均为≥1的正整数。

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，所述高频互作用单元之间的中心间距大于一个高频互作用单元的宽度。

进一步的，所述高频互作用单元的排布方式为线性阵列排布、路径阵列排布、网格阵列排布或环形阵列排布。

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，相比于传统的真空电子器件的高频互作用结构，本发明的高频互作用结构能够获得更高的输出功率和效率。传统的高频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，工作于高次模的高频互作用结构，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高频互作用结构比基模的输出功率更大且效率更高。但工作于高次模的高频互作用结构，由于会有基模的产生和模式竞争的影响，对提高高频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。本发明高频互作用结构中，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。需要注意的是每个高频互作用单元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，这样在每个高频互作用单元的工作过程中，以每个单元的输出系统的输出波导方向为该单元的电磁波传播方向，则该单元的高频互作用结构的工作模式为TE_N+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阵列式高频互作用系统，冷阴极电子枪和高频互作用单元阵列式的排布，增加了微波、毫米波以及太赫兹频段下电真空器件的集成化程度，同样，阵列式的排布方式和阵列的排布个数可以按实际需要所设定，使总的输出功率和器件的可扩展性大幅度提高。高频互作用单元内采用金属隔板的作用，抑制了基模的产生，同时把谐振腔内部分割成了多个互作用间隙，使整个谐振腔工作于高次模下，这样不仅增大了电子注与高频场的注波互作用空间，使其输出功率和效率大幅度提高，而且在起振电流不变的情况下，增大了冷阴极电子枪电子束的发射面积，使其束流密度降低，解决了现有技术中，冷阴极毫米波高频互作用系统在低电压低电流下无法起振的问题。

附图说明

图1是本发明一种基于冷阴极的多注高次模阵列式高频互作用系统结构示意图；

图2是本发明图1中冷阴极电子枪结构示意图；

图3是本发明图1中阳极板结构示意图；

图4是本发明图1中高频互作用单元结构示意图；

其中，1为冷阴极电子枪，1-1为电子枪底座，1-2为阴极支杆，1-3为阴极发射体，1-4为电子枪外壳，2为阳极板，2-1为电子注通道，3为高频互作用单元，3-1为上极板，3-2为下极板，3-3为左极板，3-4为右极板，3-5为后极板，4为电子注通道，5为互作用间隙，6为横向金属隔板，7为纵向金属隔板，8为输出系统，8-1为耦合孔，8-2为输出窗片，8-3为输出波导。

具体实施方式

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阵列式高频互作用系统，本实施例以用于0.1THz频段的多注冷阴极高次模阵列式高频互作用系统为例：

如图1所示，是本实施例一种基于冷阴极的多注高次模阵列式高频互作用系统的示意图，包括：提供电子源的冷阴极电子枪，与冷阴极电子枪1配合使用的阳极板2和阵列式高频互作用单元3；本实施例中采用沿极板四周的排布方式，每个高频互作用单元3沿方形阳极板2四周进行排布；为了演示方便，将12个高频互作用单元分为4组，4组高频互作用单元沿方形阳极板四周分布，每组的3个高频互作用单元在距离边沿2mm处均匀分布，相邻高频互作用单元的中心间距L为10mm；但需要注意的是，上述所设置的阵列式高频互作用系统的排列方式仅仅是示意性的，阵列的排布方式也可以为线性阵列排布、路径阵列排布、网格阵列排布以及环形阵列排布等，排布的方式可以根据实际需要所确定；

其中，冷阴极电子枪1包括：1个电子枪底座1-1、1个电子枪外壳1-4，36个阴极支杆1-2和36个阴极发射体1-3；电子枪外壳1-4一端与阳极板2密封焊接，另一端与电子枪底座1-1密封焊接；阴极支杆1-2下端焊接在电子枪底座上，上端与阴极发射体1-3相连，每个阴极发射体连同阴极支杆必须与上方的阳极板上的电子注通道相对应；每3个阴极发射体连同阴极支杆和电子枪底座与上方所对应的阳极板和高频互作用单元共同构成一个高频场能量交换系统，在高频场能量交换系统内，电子注与高频场进行能量交换；本实施例中，所述电子枪底座1-1为圆角正方形极板状，边长为72.74mm、厚为2mm，材质为无氧铜；电子枪外壳1-4由正方形外壳组成，内环边长71.74mm、外环边长72.74、壁厚1mm，材质都为99^#陶瓷；每个阴极支杆1-2的尺寸为：长0.15mm、宽0.2mm、高2.5mm，材质为无磁不锈钢；每个阴极发射体1-3的尺寸为：长0.15mm、宽0.1mm、高2.6mm，材质为碳纳米管或石墨烯；

其中，阳极板上端与高频互作用单元(上极板3-1、下极板3-2、左极板3-3、右极板3-4和纵向金属隔板7)密封焊接，下端与冷阴极电子枪的电子枪外壳1-4密封焊接，使整个系统构成真空密封环境；在阳极板上开有带状电子注通道2-1，每个电子注通道必须与高频互作用单元内的横向金属隔板上的电子注通道相对应；本实施例中，所述阳极板为圆角方形极板状，边长为72.74mm，厚为2mm，材质为无磁不锈钢，电子注通道的尺寸为：长0.16mm、宽0.4mm、高2.6mm；

其中，每个高频互作用单元结构相同，包括：互作用谐振腔、与互作用谐振腔一端密封连接的收集级(后极板3-5)和设置于谐振腔顶部的输出系统8；

所述每个高频互作用单元被金属外壳所包裹，高频互作用单元外壳由上极板3-1、下极板3-2、左极板3-3、右极板3-4和后极板3-5密封焊接而成。上极板3-1与下极板3-2结构尺寸相同，其长边长7.58mm，宽边长4.6mm，厚度为1mm，材质为金属铜；左极板3-3与右极板3-4结构尺寸相同，其长边长5.3mm，宽边长4.6mm，厚度为1mm，材质为金属铜；后极板3-5与收集级集成为一体，其长边长7.58mm，宽边长5.3mm，厚度为1mm，材质为金属铜；高频互作用单元内部真空且插有横向金属隔板6和纵向金属隔板7，横向金属隔板一端与左极板3-3密封焊接另一端与右极板3-4密封焊接，横向金属隔板上开有带状电子注通道4，前后通道相互对应，横向金属隔板6长边长5.58mm、宽边长4.5mm、厚度为0.4mm，材质为金属铜；纵向金属隔板穿过横向金属隔板并一端与阳极板2密封焊接另一端与后极板3-5密封焊接，纵向金属隔板7其长边长5.3mm、宽边长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谐振腔分割成了多个互作用间隙，单个互作用间隙的尺寸为：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谐振腔的高度，使得金属隔板与上下极板间没有相连接，这样在谐振腔上部和谐振腔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，使谐振腔内部构成慢波场；如图4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TM_3,1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；每个电子注通道的尺寸与阳极板上电子注通道尺寸相同；

输出系统8与阳极板2密封焊接，高频互作用单元通过耦合孔8-1与输出波导8-2相连通；耦合孔8-1的尺寸为：长5.58mm、宽0.52mm；输出波导8-2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0.5m m，材质为无氧铜；输出波导上端与输出窗片8-3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高频互作用系统各个部件焊接成为一个整体，并进行真空排气，使得整个器件内部形成绝对的真空环境。

本发明的一种基于冷阴极的多注高次模阵列式高频互作用系统工作过程如下：

冷阴极电子枪1接负高压，阳极板2接地，冷阴极电子枪1与阳极板2之间形成的电势差作用于阴极发射体1-3表面，阴极发射体在强电场的作用下发射出电子，发射出的电子注通过阳极板的电子注通道2-1进入高频互作用单元内，由于梯形周期慢波结构的边界条件不连续性，在谐振腔内部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5内与高频场发生相互作用，既有速度调制又有密度调制，通过谐振腔的选频作用以及冷阴极电子枪1与阳极板2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5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8-1进入输出波导8-3，然后在输出窗片8-2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 (6)

1.一种基于冷阴极的多注高次模阵列式高频互作用系统，包括冷阴极电子枪、密封连接于冷阴极电子枪上的阳极板、及密封连接于阳极板上的Q个高频互作用单元；其特征在于，

所述高频互作用单元包括互作用谐振腔及输出系统，所述互作用谐振腔由上极板、下极板、左极板、右极板和后极板密封连接而成，互作用谐振腔内设置有M个横向金属隔板和N个纵向金属隔板；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后极板与阳极板之间，共同将金属外壳内腔分隔为(M+1)×(N+1)相同结构的互作用间隙；所述横向金属隔板与阳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；所述上极板上开设有输出耦合孔，所述输出系统通过输出耦合孔与互作用谐振腔连通；

所述冷阴极电子枪包括：电子枪外壳、电子枪底座、Q×(N+1)个阴极支杆和Q×(N+1)个阴极发射体，电子枪外壳一端与电子枪底座相连、另一端与阳极板密封连接；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，且阴极支杆与阳极板上电子注通道一一对应。

2.按权利要求1所述基于冷阴极的多注高次模阵列式高频互作用系统，其特征在于，所述高频互作用单元中，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阵列式高频互作用系统，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阵列式高频互作用系统，其特征在于，所述高频互作用单元之间的中心间距大于一个高频互作用单元的宽度。

5.按权利要求1所述基于冷阴极的多注高次模阵列式高频互作用系统，其特征在于，所述高频互作用单元的排布方式为线性阵列排布、路径阵列排布、网格阵列排布或环形阵列排布。

6.按权利要求1所述基于冷阴极的多注高次模阵列式高频互作用系统，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。