[發明專利]一種基于冷陰極的雙向多注多腔級聯放大器

在審

• 申請號: 202210473334.5
• 申請日: 2022-04-29
• 公開（公告）號: CN114975040A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 俎一帆;袁學松;薛欽文;鄢揚
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01J23/24
• 分類號: H01J23/24;H01J23/04
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 甘茂

本發明屬于微波、毫米波及太赫茲頻段真空電子器件領域，具體提供一種基于冷陰極的雙向多注多腔級聯放大器，采用包括多個互作用腔組的多腔擴展互作用結構、以及與之匹配的前端與后端冷陰極平板電子槍共同構成的多電子注多腔級聯的陣列結構，每個周期互作用腔結構中，通過多個矩形互作用間隙組成具有諧振特性的慢波電路，共用同一電子注通道的互作用腔之間通過經過調制的電子束來完成電磁能量的傳遞和放大，而工作于不同電子注之間的互作用腔又可以通過矩形耦合槽來完成電磁能量的傳遞，由于諧振慢波電路具有高增益的特性，而整個系統由多個互作用腔組級聯構成，最終使得本發明具有超高增益的優點；同時，本發明同樣具有超高互作用效率的優點。

技術領域

本發明屬于微波、毫米波及太赫茲頻段真空電子器件領域，具體的說提供了一種基于冷陰極的雙向多電子注、多腔級聯的高增益、高效率注波互作用放大器。

背景技術

真空電子器件作為現代軍事應用和國民經濟眾多領域的重要組成部分，其在通信、雷達、電子對抗、衛星通信、射電天文、廣播電臺、以及醫學診斷治療等領域都具有廣泛的應用。然而自20世紀末開始，隨著半導體產業和集成電路技術的迅猛發展，真空電子器件在相當大的電子信息領域逐漸失去了主導地位，并且正在承受著固態電子器件發展的沖擊。但是，由于新型半導體器件仍然不是很成熟，因此目前所發展的固態功率器件在能量效率、工作頻率、最大輸出功率、可靠性方面仍存在著很大的弊端和局限性。一系列的不利因素都限制了固態功率器件在耐高溫、大功率、高頻率、強輻射等高標準要求條件下的應用。新一代真空電子器件向高頻段(毫米波、亞毫米波、太赫茲頻段)、高功率、高效率、小型化、緊湊型等方向發展，它的進展代表了真空電子器件現代技術的水平，并制約著一個國家在航天、軍事、通信等領域的發展。軍事和通信領域提出了更高頻段和更高功率的迫切要求，航天領域也一直把重量輕、能耗低的小型化、緊湊型和高效率的真空電子器件及其相關系統作為追求目標。制約這一發展的核心技術瓶頸之一就在于真空電子器件的陰極。陰極電子源是真空電子器件的重要組成部分，陰極性能優越于否，很大程度上決定了器件的整體性能。

目前，傳統的真空電子器件普遍是利用熱陰極作為電子發射源，隨著科技的進步和發展，熱陰極材料發射技術已經日趨成熟，然而熱陰極發射系統仍存在許多弊端：1)熱陰極通常工作在高溫環境中，因此要求陰極系統有很高的的耐熱性，這就直接導致熱陰極系統工藝復雜、成本較高且體積笨重；2)上千度的高溫工作環境容易致陰極系統燈絲的斷裂或短路，損壞器件，陰極壽命短；3)系統啟動時間較長，熱陰極系統需要很長的加熱時間才能達到工作所需的溫度；這些都限制了熱陰極電子光學系統的進一步發展。基于場發射的陰極被稱為冷陰極，這是因為場發射是在強電場下固體內部電子躍遷過表面勢壘直接進入真空的電子發射，它是一個量子隧穿過程，也是電子在不激發狀態下就能進入真空的過程，這樣的過程不需要額外的能量來激發電子，可在常溫下進行，響應速度小于納秒量級，出射電子具有相同的初速度和方向，電子發射密度高。因此，場發射冷陰極具有功耗低、響應速度快、電流密度大(可達每平方厘米10萬安培以上)的優點。納米材料與技術研究的進展，促進了冷陰極的制備技術和性能取得快速發展；同時，納微結構的場發射冷陰極還具有高分辨率、高響應速度、小型化等特點，采用納微結構場發射冷陰極電子源是實現陰極和器件性能變革的希望，符合新一代真空電子器件高頻率高效率的發展特征。

傳統微波管(比如行波管、速調管、返波管和磁控管等)向毫米波段的發展取得了很大的成績，但是沿著這一方向繼續前進將會遇到原則性的限制。傳統微波管的高頻系統尺寸與工作波長必須具有共度性，隨著器件工作頻率的不斷提高，高頻系統的尺寸越來越小，一方面會帶來制造和裝配上的困難，另一方面也使得電子注與高頻場產生互作用的空間和時間越來越小，使得電子注的速度和密度調制不充分，器件的互作用效率和輸出功率受到嚴重限制；正是這一原因成為傳統微波管向毫米波、亞毫米波、太赫茲頻段發展的嚴重障礙。為了發展新一代高效率大功率可集成的真空微電子輻射源，陰極和注波互作用的結合研究將會帶來重大突破。

發明內容