一种基于冷阴极的双向多注行波级联放大器

技术领域

本发明属于微波、毫米波以及太赫兹频段真空电子器件领域，具体提供了一种基于冷阴极的双向多电子注且具有宽频带、高效率的行波级联放大器。

背景技术

真空电子器件作为现代军事应用和国民经济众多领域的重要组成部分，其在通信、雷达、电子对抗、卫星通信、射电天文、广播电台、以及医学诊断治疗等领域都具有广泛的应用。然而自20世纪末开始，随着半导体产业和集成电路技术的迅猛发展，真空电子器件在相当大的电子信息领域逐渐失去了主导地位，并且正在承受着固态电子器件发展的冲击。但是，由于新型半导体器件仍然不是很成熟，因此目前所发展的固态功率器件在能量效率、工作频率、最大输出功率、可靠性方面仍存在着很大的弊端和局限性。一系列的不利因素都限制了固态功率器件在耐高温、大功率、高频率、强辐射等高标准要求条件下的应用。新一代真空电子器件向高频段(毫米波、亚毫米波、太赫兹频段)、高功率、高效率、小型化、紧凑型等方向发展，它的进展代表了真空电子器件现代技术的水平，并制约着一个国家在航天、军事、通信等领域的发展。军事和通信领域提出了更高频段和更高功率的迫切要求，航天领域也一直把重量轻、能耗低的小型化、紧凑型和高效率的真空电子器件及其相关系统作为追求目标。制约这一发展的核心技术瓶颈之一就在于真空电子器件的阴极。阴极电子源是真空电子器件的重要组成部分，阴极性能优越于否，很大程度上决定了器件的整体性能。

目前，传统的真空电子器件普遍是利用热阴极作为电子发射源，随着科技的进步和发展，热阴极材料发射技术已经日趋成熟，然而热阴极发射系统仍存在许多弊端：1)热阴极通常工作在高温环境中，因此要求阴极系统有很高的的耐热性，这就直接导致热阴极系统工艺复杂、成本较高且体积笨重；2)上千度的高温工作环境容易致阴极系统灯丝的断裂或短路，损坏器件，阴极寿命短；3)系统启动时间较长，热阴极系统需要很长的加热时间才能达到工作所需的温度；这些都限制了热阴极电子光学系统的进一步发展。基于场发射的阴极被称为冷阴极，这是因为场发射是在强电场下固体内部电子跃迁过表面势垒直接进入真空的电子发射，它是一个量子隧穿过程，也是电子在不激发状态下就能进入真空的过程，这样的过程不需要额外的能量来激发电子，可在常温下进行，响应速度小于纳秒量级，出射电子具有相同的初速度和方向，电子发射密度高。因此，场发射冷阴极具有功耗低、响应速度快、电流密度大(可达每平方厘米10万安培以上)的优点。纳米材料与技术研究的进展，促进了冷阴极的制备技术和性能取得快速发展；同时，纳微结构的场发射冷阴极还具有高分辨率、高响应速度、小型化等特点，采用纳微结构场发射冷阴极电子源是实现阴极和器件性能变革的希望，符合新一代真空电子器件高频率高效率的发展特征。

传统微波管(比如行波管、速调管、返波管和磁控管等)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将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，一方面会带来制造和装配上的困难，另一方面也使得电子注与高频场产生互作用的空间和时间越来越小，使得电子注的速度和密度调制不充分，器件的互作用效率和输出功率受到严重限制；正是这一原因成为传统微波管向毫米波、亚毫米波、太赫兹频段发展的严重障碍。为了发展新一代高效率大功率可集成的真空微电子辐射源，阴极和注波互作用的结合研究将会带来重大突破。

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双向多注行波级联放大器，采用多对行波慢波结构、以及与之匹配的前端冷阴极平板电子枪与后端冷阴极平板电子枪共同构成的多电子注行波级联的阵列结构，每对行波慢波结构由并排设置的输入级慢波电路与输出级慢波电路构成，行波慢波结构之间、及其中输入级慢波电路与输出级慢波电路之间均通过矩形耦合槽相互连通；由于慢波电路具有宽带特性，而且电磁能量信号可以沿行波慢波电路以及耦合槽进行传递和放大，因此通过级联更多对的行波慢波结构，可以使得该系统具有增益叠加的效果；而且，由前端阴极所发射的电子在经过注波互作用后会打在后端阴极上，而由后端阴极所发射的电子在经过注波互作用后会打在前端阴极上，整个电路具有很好的能量回收机制，最终使得本发明具有宽频带、高增益、高互作用效率的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于冷阴极的双向多注行波级联放大器，包括：多级联折叠波导慢波电路、通过前端绝缘外壳与多级联折叠波导慢波电路前端密封连接的前端冷阴极平板电子枪、以及通过后端绝缘外壳与多级联折叠波导慢波电路后端密封连接的后端冷阴极平板电子枪；其特征在于，所述多级联折叠波导慢波电路包括：N对行波慢波结构，每对行波慢波结构由并排设置的输入级慢波电路与输出级慢波电路构成，行波慢波结构之间、及其中输入级慢波电路与输出级慢波电路之间均通过矩形耦合槽相互连通；前端冷阴极平板电子枪发射电子注通过电子注通道贯穿输入级慢波电路，后端冷阴极平板电子枪发射电子注通过电子注通道贯穿输出级慢波电路；所述输入梯形互作用腔开设矩形输入槽、用于连接输入波导以馈入输入信号，所述输出梯形互作用腔开设矩形输出槽、用于连接输出波导以输出放大信号。

进一步的，所述慢波电路为折叠波导结构、曲折线结构或交错双栅结构。

进一步的，所述前端冷阴极平板电子枪与后端冷阴极平板电子枪采用相同结构、均由阴极基板与阴极发射体构成，所述阴极发射体贴敷于阴极基板表面或嵌入阴极基板中，阴极发射体的数量为N，阴极发射体材料可以为碳纳米管或者石墨烯、形状为圆形、矩形或者其他任意形状。

需要说明的是：在多对级联的行波慢波结构内部，电磁能量信号可以直接沿行波慢波电路以及耦合槽进行传递和放大，而且在输入慢波电路经过放大的电磁波信号会通过矩形耦合槽传递到下一级的行波慢波结构，同时后级电子在经过前一级放大的输入信号能够产生增强的速度调制和密度调制，由此而产生的连锁反应是通过横向级联更多的慢波电路，不仅能够保证整个系统具有宽带特性，而且还具有增益叠加的效果。相比于传统的多注行波周期电路，此结构能够在沿电子注方向尽可能的减少周期数以缩短电路的长度，而替代以更多的横向级联电路来满足整个器件的宽频带和高增益要求，将主要体现在对减弱均匀聚焦磁场的要求以改善器件的工作条件。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种基于冷阴极的双向多注行波级联放大器，其中，所述多级联折叠波导慢波电路、及与之匹配的前端冷阴极平板电子枪与后端冷阴极平板电子枪采用可横向扩展设计，组成多电子注多对折叠波导的级联阵列结构；每对行波慢波结构由并排设置的输入级慢波电路与输出级慢波电路构成，从输入级慢波电路开始，由前端阴极发射体所发出的电子束会受到从输入端口馈入的输入信号而产生电子的速度调制和密度调制，经过调制后的电子束会带来群聚效果并能与输入信号的电磁波保持同步；当在输入慢波电路末端，经过周期调制后的电子束会把自己的直流能量转化为高频场能，以对输入的电磁波信号产生放大；与此同时，在输入慢波电路经过放大的电磁波信号会通过矩形耦合槽传递到下一级的行波慢波结构；进一步的，由后端阴极发射体所发出的电子束受到经过前一级放大的输入信号而产生增强的电子速度调制和密度调制，经过调制后的电子束会带来增强的群聚效果并能与输入信号的电磁波保持同步；由于慢波电路具有典型的周期性宽带特性，而且电磁能量信号可以直接沿行波慢波电路以及耦合槽进行传递和放大，这时，将从输入级慢波电路内耦合到中间级放大慢波电路内的高频场能当作由前级放大的输入信号；放大后的输入信号会对电子束产生更强的调制，由此而产生的连锁反应是通过横向级联更多的慢波电路，不仅可以保证整个系统具有宽带特性，而且还具有增益叠加的效果。需要注意的是，相比于传统的行波周期电路，该方案可以在沿电子注方向尽可能的减少周期数以缩短电路的长度，而替代以更多的横向级联电路来满足整个器件的宽频带和高增益要求，这将主要体现在对减弱均匀聚焦磁场的要求以改善器件的工作条件。

另外，由前端阴极所发射的电子在经过注波互作用后会打在后端阴极上，而由后端阴极所发射的电子在经过注波互作用后会打在前端阴极上，整个结构具有很好的能量回收机制，使得本发明同样具有超高互作用效率的优点。

附图说明

图1为本发明中基于冷阴极的双向多注行波级联放大器的三维结构示意图；

图2为本发明中基于冷阴极的双向多注行波级联放大器的剖视结构示意图；

其中，1为前端冷阴极平板电子枪、1-1为输入级前端阴极发射体、1-2为中间级前端阴极发射体、1-3为前端阴极板，2为后端冷阴极平板电子枪、2-1为中间级后端阴极发射体、2-2为输出级后端阴极发射体、2-3为后端阴极板，3-1为前端绝缘介质外壳、3-2为后端绝缘介质外壳，4为多级联折叠波导慢波电路、4-1为输入级慢波电路、4-2为中间级第一放大慢波电路、4-3为中间级第二放大慢波电路、4-4为输出级慢波电路，5-1为输入级与中间级耦合槽、5-2为中间级耦合槽、5-3为输出级与中间级耦合槽，6-1为输入级窗片、6-2为输出级窗片，7-1为输入级前端发射电子注通道、7-2为中间级后端发射电子注通道、7-3为中间级前端发射电子注通道，7-4为输出级后端发射电子注通道，8-1为输入端口法兰、8-2为输出端口法兰。

图3为本发明中基于冷阴极的双向多注行波级联放大器在工作状态的粒子轨迹半剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施列对本发明做进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及技术效果更加清楚、完整。

本实施列提供了一种基于冷阴极的双向多电子注的宽频带、高效率的行波级联放大器，以用于W波段的多发射端面多电子注冷阴极注波互作用放大器结构为例，其结构如图1、图2所示，其中，X方向为长边尺寸方向，Y轴方向为高边尺寸方向，Z轴方向为宽边尺寸方向；具体包括：具体包括：多级联折叠波导慢波电路4，通过前端绝缘介质外壳3-1与多腔扩展互作用结构前端密封连接的前端冷阴极平板电子枪1，通过后端绝缘介质外壳3-2与多腔扩展互作用结构后端密封连接的后端冷阴极平板电子枪2；其中，

前端冷阴极平板电子枪1包括：输入级前端阴极发射体1-1、中间级前端阴极发射体1-2与前端阴极板1-3，所述输入级前端阴极发射体1-1和中间级前端阴极发射体1-2半嵌入到前端阴极板1-3内；输入级前端阴极发射体1-1与输入级前端发射电子注通道7-1相对应，中间级前端阴极发射体1-2与中间级前端发射电子注通道7-3相对应，由输入级前端阴极发射体1-1发射的电子注将会贯穿输入级慢波电路4-1并最终打到后端阴极板2-3上，被后端冷阴极平板电子枪所收集；同理，由中间级前端阴极发射体1-2发射的电子注同样将会贯穿中间级第二放大慢波电路4-3，并也最终打到后端阴极板2-3上，同时被后端冷阴极平板电子枪所收集；所述输入级前端阴极发射体1-1与中间级前端阴极发射体1-2均采用半径为0.3mm、厚度为0.1mm的圆片，材质为碳纳米管或石墨烯；所述前端阴极板的尺寸为(长×高)12×4mm、厚度为1mm，材质为无磁不锈钢；后端冷阴极平板电子枪与前端冷阴极平板电子枪结构尺寸相同，具有完全相同的功效，包括：2-1为中间级后端阴极发射体、2-2为输出级后端阴极发射体与2-3为后端阴极板；

前端绝缘介质外壳3-1与后端绝缘介质外壳3-2的结构尺寸相同，外壳的内腔尺寸为(长×宽×高)11×3×3mm、外腔尺寸为(长×宽×高)12×4×3mm、腔壁厚度为0.5mm，材质为99

多级联折叠波导慢波电路4由四条典型的折叠波导慢波电路通过级联组成，包括：输入级慢波电路4-1、中间级第一放大慢波电路4-2、中间级第二放大慢波电路4-3、输出级慢波电路4-4；每条折叠波导慢波电路内部真空，采用线切割技术在一整块无氧铜板上切割出宽度为0.52mm、深度为0.68mm的曲折线，其中，被电子注通道贯穿的部分称之为栅网间隙，间隙与间隙之间构成周期结构，周期长度为1.2mm；栅网间隙与栅网间隙之间由一条半圆形的沟道相连通；所述输入级慢波电路4-1与中间级第二放大慢波电路4-3共用前端平板电子枪1，所述中间级第一放大慢波电路4-2与输出级慢波电路4-4共用后端平板电子枪2；所述输入级慢波电路4-1与中间级第一放大慢波电路4-2通过输入级与中间级耦合槽5-1相互耦合连通，输入级与中间级耦合槽5-1的尺寸为(长×宽)1.93×0.52mm；所述中间级第一放大慢波电路4-2与中间级第二放大慢波电路4-3通过中间级耦合槽5-2相互耦合连通，中间级耦合槽5-2的尺寸为(长×宽)2.66×0.52mm；所述中间级第二放大慢波电路4-3与输出级慢波电路4-4通过输出级与中间级耦合槽5-3相互耦合连通，输出级与中间级耦合槽5-3的尺寸为(长×宽)1.93×0.52mm；所述输入级慢波电路4-1一侧开有矩形槽与输入波导相连通，输入波导端口与输入窗片6-1封接，输入窗片尺寸为(长×宽×厚)1.36×0.56×0.5，材质为氧化铝陶瓷或者蓝宝石，所述输入波导以及输入窗片又与外部的输入端口法兰8-1相连；所述输出级慢波电路4-4一侧开有矩形槽与输出波导相连通，输出波导端口与输出窗片6-2封接，输入窗片(长×宽×厚)尺寸为1.36×0.56×0.5，材质为氧化铝陶瓷或者蓝宝石，输出波导以及输出窗片又与外部的输出端口法兰8-2相连；

利用微波真空电子器件工艺将基于冷阴极的双向多电子注行波级联放大器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。

本发明的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：

前端阴极板1-3与后端阴极板2-3同时接负高压，多级联折叠波导慢波电路4外壳接地，冷阴极平板电子枪与多级联折叠波导慢波电路之间形成的电势差作用于前端阴极发射体以及后端阴极发射体表面，前端和后端阴极发射体同时在强电场的作用下发射出电子，发射出的电子注通过电子注通道进入内部折叠波导慢波电路；从输入级慢波电路4-1开始，由输入级前端阴极发射体1-1所发出的电子束会受到从输入端口6-1馈入的输入信号而产生电子的速度调制和密度调制，经过调制后的电子束会带来群聚效果并能与输入信号的电磁波保持同步；当在输入级慢波电路4-1末端，经过周期调制后的电子束会把自己的直流能量转化为高频场能，以对输入的电磁波信号产生放大；与此同时，在输入级慢波电路经过放大的电磁波信号会通过矩形耦合槽5-1传递到中间级放大慢波电路4-2；进一步的，在中间级的慢波电路，由后端阴极发射体2-1所发出的电子束受到经过前一级放大的输入信号而产生增强的电子速度调制和密度调制，经过调制后的电子束会带来增强的群聚效果并能与输入信号的电磁波保持同步；由于慢波电路具有典型的周期性宽带特性，而且电磁能量信号可以直接沿行波慢波电路以及耦合槽进行传递和放大，这时将从输入级慢波电路内耦合到中间级放大慢波电路内的高频场能当作由前级放大的输入信号，放大后的输入信号会对电子束产生更强的调制，由此而产生的连锁反应是通过横向级联更多的慢波电路，可以在最终的输出级慢波电路4-4产生更高功率的电磁辐射并通过输出窗片6-2进行辐射输出。

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。