JPH03187127A

JPH03187127A - フイールド放出装置

Info

Publication number: JPH03187127A
Application number: JP2333411A
Authority: JP
Inventors: Neil A Cade; ニール　アレクサンダー　ケイド; David F Howell; デイヴィッド　フランシス　ハウェル
Original assignee: General Electric Co PLC; General Electric Co
Current assignee: General Electric Co PLC; General Electric Co
Priority date: 1989-11-29
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1991-08-15
Also published as: EP0430461A2; GB8926959D0; US5124664A; EP0430461A3; GB2238651A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はフィールド（本明細書ではフィールドとは電界
釦よび／または磁界を意味する）放出装置に関し、特に
フィールド放出を利用した増幅兼発振装置に関する。

〔従来技術ふ・よび発明が解決しようとする課題〕ハイ
パワーのマイクロウェーブ回路によびミリ波回路は、依
然として熱電子真空装［を使用しているが、はとんどの
小パフ−の高周波装置は現在では従来の個体技術によ多
形成されている。真空電子装置にｐける走行時間によシ
誘導される高周波性能の限界は真空中に）ける電子の弾
道運動のために、通常は無祝できるほど小さくできる。

しかしながら、ちょうど固体デバイスに釦けるのと回し
ように真空装置にかける最終的作動速度はキャパシタン
スで制限される傾向がある。従来の大規模な真空電子装
置ではこのような限界を克服するために多数の形状が開
発された。これらの設計では速度変調と分散増幅を組合
わせるものである。

速度変調と比較的長いドリフト空間を組合わせると、こ
の結果高速電子と低速電子が空間的に分離される。高速
電子が先に放出された低速電子に追いつく際に発生する
電子の集群化によシ印加された小変調信号の周波数で電
流が約５０多変調されうる。これがクライストロンの作
動原理である。かかる装置で得られる利得が制限される
主な理由は変調前の電子ビームのエネルギーが広がって
いること、シよび変調の前後で電子の運動ｍが制御され
ることである。

本発明の目的は１半導体製造技術でｊｌｌＩ造でき、真
空中で電子ビームを発生し、タライストロン真空管と類
似した高周波の増幅管たは発振を可能とする小マイクロ
クエープまたはミリ波装置會提供することにある。

本発明によれば、分散形増幅器を形成するよう、配置さ
れた冷力ノードフィールド放出素子のアレイから成るタ
ライストロン形の装置が提供される。

〔課題を解決するための手段りよび作用、効果〕分散形
増幅器は進行波形またａ定在波（キャビティ）形のいず
れでも良い。

分散式増幅器は好１しくは入力変調信号が印加される変
調ストリップラインと、増幅された出力信号を出力する
キャッチャストリップラインから成る。これとは異なシ
、変調ストリップラインを設は装置が発振器として作動
するように変調ストリップラインに素子内の電子流を戻
してもよい。電界釦よび／または磁界の作用によシ、素
子内の電子ビームを曲げることによりフィードバックを
生じさせることができる。進行ａｔ１！１ｍをする場合
、反射を最小としかつ増幅された進行波の連続的な累積
を可能とするよう。

キャッチャストリップラインはインピーダンスを均一に
することが好ましい。これとは異なシ、キャッチャスト
リップラインは反射を誘導し、増幅された定在波の累積
を可能とするよう特定のインピーダンスの不連続点を有
してもよく、この場合出力は少くとも１つのインピーダ
ンス不連続点における残留送信により得られる。以下添
付図面を参照して本発明の実施例について説明する。

〔実施例〕

本発明に係る装置では、フィールド放出電子源は、好筐
しくは先端が鋭いカソード状の低電圧電界エミッタのア
レイから成る。放出にニジ電子エネルギーは約（Ｌ２５
ｅＶに広がり、これは熱電子カソードの場合よりもかな
シ低い。単一電界エミッタも放出が極めて小さい角度に
広がる傾向があるが、これはエミッタ材料の仕事関数の
異方性が大きい結果であると考えられる。

多数のエミッタ先端を含むアレイでは、すべての先端が
同じ結晶学的な配列になっていなければ、すなわち仕事
関数の異方性が回−でなければ、シそらくこのアレイは
統計的に大きく広がった放出角を生じることになろう。

このような電子の長平方向の広がシを最小とするため、
本発明で使用されるカソード／グリッド構造体は、コリ
メーションを生じる集積レンズを含むことが好筐しい。

添附図面中の第１図は、かかるカソード／グリッド構造
体を略図で示す。この構造体は、上方に例えば２μｍ高
のカソード先端３が形成された基体２と、抽出用グリッ
ド４と、レンズグリッド５と、エネルギーブーストグリ
ッド６とから成る。グリッドの間隔は、例えば１μｍで
よい。使用中、グリッド４，５および６は、カソード先
端３に対してそれぞれ＋２００ボルト、＋１ボルトおよ
び＋１００ボルトのバイアスがかけることができ、これ
により生じる電子の軌跡７を略図で示す。構造体１ｒ：
ｓれる電子ビームは実質的にコリメート化されることが
判る。

基体２は、シリコンで形成でき、このシリコンは金属、
例えばニオブ、モリブデン、白金、タングステンまたは
金でコーティングできる。

カソード先端の多くは、基体材料をマスキングし、エツ
チングすることにより同時にアレイ状に形成される。カ
ソード先端は、次に誘電材料、例えば二酸化シリコンの
層８で被覆され、次にエツチングによシプレーナ状にさ
れる。これとは異なシ、層８ＩＩｉ、他の絶縁材料から
形成できるし、熱膨張の不整合の問題を最小とするよう
特に選択された多層構造体にもできる。例えば、かかる
層は、リン筐たけホウ素でドープされた二酸化シリコン
筐たけ窒化シリコンで形成できる。次に誘電層の上に導
電層重たは多層を形成する。この層は、例えばニオブ、
モリブデン、強くドープしたシリコンまたはシリコン−
アルミニウム合金でよい。次にこの導電層を選択的にマ
スクし、マスクされていない領域をエツチングで除き、
各カソード先端のすぐ上方の層に孔を残す。導電層の残
部は、抽出グリッド４に一形成する。同じように誘電層
と導電層を交互に堆積し、マスキングとエツチング法を
繰返してレンズグリッド５釦よびエネルギーブースト（
加速）グリッド６を形成する。次にカソード先端に達す
る筐で導電層をマスクとして用いてドライ、すなわちプ
ラズマエツチング法により下地誘電層をエツチングする
。次にカソード先端への損傷を防止するようウェットエ
ツチング法により各先端に直ぐに隣接する残すの酸化物
を除去する。これにより、誘ｔＭふ・よび導電層内の孔
を通してカソード先端が現われる。

第２圓は、本発明に係る分布形増幅装＠９の略横断面図
を示す。この装ｍは、好１しくはカソード／グリッド構
造体１を含み、この構造１は、上記のようＶＣ基体２に
敗付けられた関連グリッドを備えたカソード先端のアレ
イから成る。

下記のように形成する変調マイクロストリップ送信ライ
ン構造体１０は、環状の誘電体スペーサ１１によシ構造
体１よυ離間している。構造体１０に接合される環状誘
電体スペーサ１３内にはドリフトスペース１２が形成さ
れる。スペーサ１３には１．構造体１０と類似の構造の
キャッチャマイクロストリップ送信ライン構造体１４が
取付けられている。このキャッチャラインからは環状誘
電体スペーサ１５によシコレクタアノード２０が離間さ
れる。

入力リード１６および１７ｔ−介して変調ストリップラ
インの一端に変調入力信号が送られ、増幅された出力信
号がリード１８釦よび１９を介シテキャッチャーストリ
ップラインから暇られる。

変調ストリップライン１０上の信号により発生する所定
の周波数ｆ、ビーム速度Ｖ＞よび速度変調度δＶに対し
、最適ビーム電流変ｐＩ″Ｉｊ：得るためのドリフトス
ペース１２の長さｓｅ′ｉ、はぼ従って、装置の心安な長さは周波数が高くなるにつれて
短くなる。５０Ωの変調ストリップライン上で１ｍＷの
信号を増幅する２００ボルトの電子ビームで１０００　
ＧＨｚの作動をする場合、３は約４篩である。かかるパ
ラメータに対し、変調ストリップラインとし下記のアー
ス平面との間のギャップは１走行時間が信号期間に比し
て無視できるほど小さくなるように例えば約１０μｍ″
または数１０μｍ８度に小さくしなければならない。こ
のようにするには５０Ωラインの精も同様に、例えば約
１００μｍ筐たａ数百μｍ８＃に小さくしなければなら
ない。このような寸法はモノリシックな集積製造を可能
にするが、電力増幅に対し充分な電ａｔ供給するには、
長い送信ラインに沿って分布されたカンード、変調、ド
リフトおよびｔａピックアップと共に長い送信ライン全
使用することを意味する。

この理由のため、キャッチャ釦よび変調ストリップライ
ンは、コヒーレントな分散増幅ができるようにマツチン
グしなければならない。このような対称性に起因して、
ドリフトスペース、キャッチャ釦よびコレクタアノード
の半分と遅延反射アノードとｔ−ｆｔ＊Ｌ、ビームを変
調グリッドへ戻し、後述するように「反射形タライスト
ロ／」形見振器にしてもよいし、ｎ電ミラーｉたぼ磁気
ミラーと［ｍして、変調ストリップラインに平行に走行
しかつ同一基体に設けられた整合したキャッチャストリ
ップラインにビームを戻することか好ましい。

第３図は、第２図の分散形増幅器の構造のよう詳細な横
断面図である。コレクタアノード２０は、好ましくはカ
ソード先端に面する表面にテーパ付キャビティ２１を有
し、第２次電子管たはイオンの発生を抑制しかつ広い面
積で残留ビームエネルギーを消散することが好ましい。

第４図を参照すると、変調器１０Ｆｉ、絶縁材料のディ
スク２２から成シ、このディスク２２は製造が容易なよ
うに（固有または補償形の）絶縁性シリコンであること
が好ましいが、これは例えばサファイヤまたは水晶にで
きる。高伝導度金属、例えば接着層として下方にクロム
の層を備えた金の層２３ｔ−ディスク２２の一表面の全
面に、例えばＣＬ５μｍの厚さに堆積させてアース平面
として作動させる。ディスクの反対側の表面に約５００
インピーダンスのマイクロストリップライン２４に形成
する。このライン２４も同じように金型たはクロムから
形成される。

マスキング釦よびエツチングにより金属層２３゜２４を
貫通する整合した孔２５．２６を形成する。

次にマイクロストリップラインの下方のディスク２０の
領域の上製部分をエツチングで除き、ディスク内の孔２
７を残し、そのエツジの１わシにストリップラインが支
持された状態とする。

カソード先端からの変調器１０の間隙は重要でなく、グ
リッド６は変調器１０１Ｃ接触する可能があるが、実際
には、変調器はこのグリッドから例えばｌ＋＋ｍ’ｉで
離間させてよい。変調ストリップラインとアース平面と
の間のギャップは、走行時間の遅れを最小にするため約
１０μｍ１次は数１０μｍであるので、孔は例えば１０
平方μｍにでき、いくつかの先端上に整合できる。

第５図は、はぼ均一な５０Ωのインピーダンスを得るた
めのテーパ付き領域を有するマイクロストリップライン
２４の別の構成を示す。ディスク２０を貫通する孔３０
もテーパ付端部を有するが、孔の端部の間でなす角はス
トリップラインの角度ようも大きいので、広いストリッ
プラインに対してよシ大きい支持体が得られる。

スペーサ１３（釦よび可能な場合にはスペーサ１１．１
５）は好筐しくはソーダガラスリングを含み、このリン
グは静電接合技術を用いて変ｖ！４５１０に接合され、
真空を保持するシールを形成している。

キャッチャマイクロストリップライン１４ａ。

変調器１０と同じ構造でよく、アース平面がコレクタア
ノード２０に隣接するよう倒立させてもよい。この構造
体もスペーサ１３に接合される。

第６国に別のキャッチャのラインの構成金石す。キャッ
チャ送信ラインの平面で発生する電流変調はかなう非サ
イン状であるので、この増幅器または発振器は、入力周
波数のある範囲の高調波を生じる。

従って、充分にＱ値の高い同調キャビティ金便用して出
力金同調し、よシ高次の高調波全抑制し、すなわち進行
波形状よシも定在波形状を使用することが好筐しい。−
殻内にかかるキャビティに、キャッチャラインのインピ
ーダンスに部分的に反射する局部変動を含１せることに
よシ形成できる。例えば、キャッチャライン２８は、開
回路によシ一端２９で終端でき、不連続部３０と端部２
９との間で定在波モードが得られるような距離だけ端部
２９から離間した部分送信不連続部３０を含むことがで
きる。変調器のストリップラインはキャッチャラインと
ｌＴｌ−形状であることが好ましい。能動的カソード領
域のセパレートバッチは、変調器／キャッチャストリッ
プラインのバッチ３１．３２によりアドレス化される。

このバッチは、介入ノードで電子ビームの結合により正
味増幅が得られないので約２分の１波長にＮｒ＆！１さ
れる。

好１しくは、上記＃ｅ置の部品のすべてを共に接合し、
カソード先端５からの電子がコレクタアノード２０まで
走行する真空密閉体を形成するようにする。これとは異
なシ、それ自体真空の別の密閉体（図示せず）内に１ｔ
ｔｔ取付けてもよい。

第７図は、クライストロン形発振装置を略図で示す。本
例では、上記のように第３図のキャッチャライン１４お
よびコレクタアノード２０が省略してアシ、スペーサ１
３に反射ｔ＆３５が接合されている。この装置の使用中
、電極５３は、カソード電位に対して負にバイアスされ
、カソード先端に対する反射器の電極は例えば−１０ボ
ルトである。この電極は、電子ビーム、例えば矢印３４
で略図にて示されるビーム１変調器１０へ戻し、装置を
発振させるフィードバックを生じさせる。反射器の電極
の電圧変動は、電子の走行時間を変えるので、装置の発
振周波数の同調を変えることができる。

これとは別に、またはこれに加えて、電子流の全体方向
に対して横方向に磁界全印加し、電子ビーム全反転する
こともできる。また電界卦よび／−またａ磁界の大きさ
は、発振周波数を決定する。

別の装置（−示せず）では、変調器１０の側面に沿って
キャッチャストリップライン１４を取付け、上記のよう
に電界および／１ｆｃは磁界によシミ子ビーム金曲げ、
わん囲路を介してキャッチャラインに達する。かかるキ
ャッチャおよび変調器ラインは、フィードバックが生じ
て、装置の発振が生じるよう共に結合できる。１ｆｃ電
界および／またＦｉ磁界強度の調節により装置の同ｖ！
４を変えることができる。

上記各実施例におけるカソード／グリッド構造体は、３
つのグリッド電極から成るが、電子ビームを更にコリメ
ートすることが不要であれば、この数は２つまたは一つ
に減らしてもよい。

キャッチャと変調器ストリップライン１０しよび１４と
は、形状ｐよび構造が回しでよい。

上に２実施例は、金属性被膜を有するかまたけ有しない
シリコン基体を含むが、これとは異なシ、金属、特に単
結晶金属（これのみに限定されず）の基体を使用できる
。

【図面の簡単な説明】

第１区は、本発明に係るクライストロ／形装置に使用す
るのに適したフィールド放出力ソードシよびグリッドス
タック構造体の略横断面図、第２図は、本発明に係る分
散形増幅装置の簡略した略横断面図、第３図は、第２図の分散形増幅装置のよυ詳細な横断回
国、第４圓は第５図の増幅装置の一部を形成するマイクロス
トリップ変調器またはキャッチャラインの略図、第５囚は、別のマイクロストリップ変調器筐たａキャッ
チャライン構成の一部の略平面図、第６図は、定在波増
幅のための別のキャッチャライン形状の略平面図、第７図は本発明に係る発振装置の略横断面図である。１〜６−・・冷力ノードフィールド放出素子のアレイ９−　・・・分散形増鴫器１０・・・・・・変調ストリップライン１３・・・・・
・スヘーサ手段４・・・・・・キャッチヤストリップライン０・・・・・・コレクタ電極５・・・・・・偏向手段

Claims

【特許請求の範囲】

（１）分散形増幅器（９）を形成するよう配置された冷
カソードフイールドエミツシヨン素子（１〜６）のアレ
イを特徴とするクライストロン形装置。
（２）分散形増幅器（９）は、入力変調情報を受信する
ための変調ストリップライン（１０）と、増幅された出
力信号を出力するためのキヤツチヤストリツプライン（
１４）とから成ることを特徴とする請求項（１）に記載
の装置。
（３）キヤツチヤストリツプライン（１４）から離間し
たコレクタ電極（２０）を特徴とする請求項（２）に記
載の装置。
（４）コレクタ電極（２０）はキヤツチヤストリツプラ
イン（１４）に面する表面に溝（２１）を有し、二次電
子の発生を低減する請求項（３）に記載の装置。
（５）分散形増幅器（９）は変調ストリップライン（１
０）と素子により放出された電子を変調ストリップライ
ンに戻すための偏向手段（３３）とから成り、この装置
は発振器として作動することを特徴とする請求項（１）
に記載の装置。
（６）分散形増幅器（９）は変調ストリップライン（１
０）と、変調ストリップラインに沿つて取付けられたキ
ヤツチヤストリツプライン（１４）と、素子によつて放
出された電子がキヤツチヤストリツプラインに達するよ
うこれら電子の通路を曲げるための偏向手段（３３）と
からなることを特徴とする請求項（１）に記載の装置。
（７）キャツチヤストリツプライン（１４）と、変調ス
トリップライン（１０）は共に結合されていることを特
徴とする請求項（６）に記載の装置。
（８）偏向手段（３３）は装置の発振周波数を調節する
よう電界および／または磁界を変えるための手段を含む
請求項（５）、（６）、（７）のいずれかに記載の装置
。
（９）各冷カソードフィールド放出素子（１）〜（６）
は少くとも１つのテーパのついたカソード体（３）から
成ることを特徴とする請求項（１）〜（８）のいずれか
に記載の装置。
（１０）各素子（１）〜（６）はカソード体（３）から
離間した少くとも１つのグリッド電極（４、５、６）か
ら成ることを特徴とする請求項（９）に記載の装置。
（１１）各素子（１）〜（６）は複数のグリッド電極（
４、５、６）から成ることを特徴とする請求項（１０）
に記載の装置。
（１２）グリッド電極（４、５、６）は全ての素子に共
通し、離間した導電層の積層体から成ることを特徴とす
る請求項（１１）に記載の装置。
（１３）カソード体（３）は基体の表面をエッチングで
除去することにより、基体（２）から突出する突起とし
て形成されることを特徴とする請求項（１０）〜（１２
）のいずれかに記載の装置。
（１４）基体（２）に設けられたフィールド放出カソー
ド体（３）のアレイと、カソード体の上に形成されカソ
ード体から絶縁され、かつ相互に絶縁された複数のグリ
ッド電極（４、５、６）から成るグリッド構造体と、こ
のグリッド構造体に取付けられグリッド電極から離間す
る変調マイクロストリップライン（１０）と、変調ライ
ンに取付けられ内部に電子ドリフトスペースを形成する
スペーサ手段（１３）と、このスペーサ手段に取付けら
れたキヤツチヤマイクロストリツプライン（１４）とを
特徴とする分散形増幅装置。
（１５）キヤツチヤマイクロストリツプライン（１４）
を通過した電子を受けるための電子コレクタ手段（２０
）を特徴とする請求項（１４）に記載の装置。
（１６）変調ライン（１０）またはキヤツチヤライン（
１４）または各ラインのいずれかはアース平面を形成す
るよう、１つの主要表面上に導電材料の層（２３）を有
する絶縁材料のプレート（２２）と、逆の表面に設けら
れた導電材料の領域（２４）と、カソード体により放出
された電子が通過するための貫通孔（２５、２６）とか
ら成ることを特徴とする請求項（１４）または（１５）
に記載の装置。
（１７）導電材料（２３、２４）は金であることを特徴
とする請求項（１６）に記載の装置。
（１８）構成部品（１、２、１０、１３、１４、２０）
は真空密閉体を形成するよう共にシールされていること
を特徴とする請求項（１４）〜（１７）のいずれかに記
載の装置。