一種微波調制冷陰極微型輻射源及其實現方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微波、毫米波、亞毫米波以及太赫茲頻段輻射源技術領域，涉及一種電真空輻射源器件，具體的說，是涉及一種微波調制冷陰極微型輻射源及其實現方法。
【背景技術】
[0002]微波、毫米波、亞毫米波電真空輻射源器件作為雷達、電子對抗、空間通訊等軍事電子系統不可缺少的核心器件，一直受到廣泛重視。傳統的電真空輻射源器件中電子槍一般采用熱發射陰極系統，經過幾十年的發展，熱發射陰極工藝已非常成熟，被廣泛應用于各類電真空輻射源器件中，但熱發射陰極存在以下顯著缺點:結構復雜，成本高，陰極系統由多種金屬和陶瓷部件構成，由于熱陰極工作在上千度的高溫環境，陰極中加熱用的燈絲容易斷裂或短路，導致器件損壞；另一方面，由于需要加熱功率，增加了系統的復雜性，降低了系統效率，需要較長時間才能達到工作溫度，尤其對于大功率器件，其啟動時間往往長達幾分鐘，給使用帶來很大不便；同時，由于熱陰極結構復雜也是電真空輻射源器件難以集成的主要原因之一。
[0003]固態半導體輻射源器件相比熱陰極電真空輻射源具有體積小，可集成，響應速度快等優點，但是其具有:抗干擾、耐輻射能力弱，功率低等缺點，特別是在太空環境下，固態輻射源器件可靠性很難得到保證。
[0004]微型電真空輻射源器件有望解決上述兩類器件存在的問題，相比熱陰極電真空器件它具有體積小、可集成等特點，相比固態輻射源器件它具有抗干擾、耐輻射能力強，同時，輸出功率大等特點。在微型電真空輻射源器件中，首先需要采用場發射冷陰極來解決自由電子源的產生，與熱電子發射相比，場發射冷陰極具有功耗低、可集成、尺寸小、響應速度快等一系列優點，與固態器件相比具有抗干擾，耐輻射能力強，功率大的優點，因此，它是微型電真空輻射源器件的理想電子發射源。
[0005]傳統微波電真空器件中速調管的輸出功率現在已可以做到很高，但是速調管的體積相對比較大，難以做到集成，傳統速調管至少需要一個輸入、輸出腔才能實現信號的放大。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于克服上述缺陷，提供一種結構簡單、實現方便、減小結構體積和器件加工難度的微波調制冷陰極微型輻射源。
[0007]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下:
一種微波調制冷陰極微型輻射源，包括:
利用微波調制的冷陰極電子槍，用于作為電子源；
互作用諧振腔，與所述利用微波調制的冷陰極電子槍配合使用；
所述互作用諧振腔包括諧振腔殼體，兩個相對并分別設置在所述諧振腔殼體內部上、下兩端的電子注漂移管道，兩個電子注漂移管道之間具有間隙，且位于上端的電子注漂移管道為收集極；
進一步的，在所述諧振腔殼體的一側上還設置有凸出所述諧振腔殼體的外導體和位于所述外導體內的內導體，同時，在二者之間還設置有陶瓷輸出窗片，且所述外導體、所述內導體和所述陶瓷輸出窗片同軸；所述外導體中空并與所述諧振腔殼體連通；
進一步的，在所述諧振腔殼體內與所述內導體同側還設置有耦合環，所述耦合環一端與所述內導體連接、另一端與所述諧振腔殼體內壁連接。
[0008]進一步的，所述利用微波調制的冷陰極電子槍包括電子槍殼體，和由微波輸入層與下電極板及冷陰極、上電極板構成的電子槍槍芯；
所述電子槍槍芯橫穿所述電子槍殼體，所述微波輸入層設置于所述下電極板和所述上電極板之間，且其上下表面分別與所述上電極板和所述下電極板固定；
所述電子槍殼體上端與所述互作用諧振腔密封形成真空室，其下端與所述下電極板密封；
在所述微波輸入層的中段設有一正對所述電子注漂移管道的電子注與調制微波互作用間隙，所述冷陰極則嵌于所述電子注與調制微波互作用間隙底部的所述下電極板上，使得所述電子注漂移管道對準電子槍電子注通道；
在所述上電極板上正對所述冷陰極和所述電子注與調制微波互作用間隙的區域開設有陣列式電子注輸出孔；所述陣列式電子注輸出孔的各孔尺寸均小于微波波長。
[0009]進一步的，所述陣列式電子注輸出孔置于所述電子槍殼體內腔軸線位置，下電極板、電子槍槍芯兩側及上電極板頂面、諧振腔殼體通過電子槍殼體密封固定成一體。
[0010]進一步的，所述陣列式電子注輸出孔通過激光刻蝕而成，其孔的形狀為圓孔、方孔或條形孔。
[0011]進一步的，所述微波輸入層為介電常數為2-10的絕緣介質。
[0012]微波調制冷陰極微型輻射源的實現方法，包括以下步驟:
(O上電極板接直流電壓，下電極板接地的步驟；
(2)將微波從微波輸入層左端輸入的步驟；此時，冷陰極表面同時在靜電場和微波產生的高頻場的作用下得到一個調制電子注；
(3)調制電子注通過陣列式電子注輸出孔進入電子注漂移管道的步驟；
(4)調制電子注在真空諧振腔中自激振蕩，產生同頻/倍頻微波輻射，調制電子注能量轉化為電磁波。
[0013](5)通過耦合環和同軸結構輸出微波，實現輸入信號的同頻/倍頻放大輸出，同時輸入信號與輸出信號是分離的。
[0014]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
本發明使用微波調制冷陰極電子槍作為電子源，配合互作用諧振腔，利用微波中的高頻電場在陰陽極之間對電子注進行發射密度調制后，電子注通過上電極板、陣列式電子注輸出孔進入諧振腔后自激產生同頻/倍頻微波輻射并與之進一步發生互作用，電子注將其能量交給微波產生電磁輻射，其只需使用一個諧振腔就可以實現信號的同頻/倍頻放大輸出，從而減小器件的結構體積和加工難度，對微波電真空器件做到微型化、集成化有積極意義。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明微波調制冷陰極微型同頻輻射源結構的剖面示意圖。
[0016]圖2是本發明微波調制冷陰極微型輻射源結構的側面示意圖。
[0017]圖3是本發明微波調制冷陰極微型倍頻輻射源結構的剖面示意圖。
[0018]上述附圖中，附圖標記對應的部件名稱如下:1.收集極，2.諧振腔殼體，3.耦合環，4.內導體，4-1.外導體，5.陶瓷輸出窗片，6上電極板，7.下電極板，8.冷陰極，9.陣列式電子注輸出孔，10.電子槍殼體，11.微波輸入層，11-1.電子注與調制微波互作用間隙，12.電子注漂移管道。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，本發明的實施方式包括但不限于下列實施例。
實施例
[0020]如圖1-3所示，本實施例提供了一種微波調制冷陰極微型輻射源，其基于利用微波調制的冷陰極電子槍，設計一種互作用諧振腔，使得經過特定頻率微波調制的電子注能夠在該諧振腔體內，產生微波自激振蕩輻射，獲得放大指定頻率的同頻或倍頻微波信號，設計原理如下:將特定頻率微波調制冷陰極電子槍發射出的預調制電子注經過一段漂移段后，通過一個高頻諧振腔，在諧振腔內電子注激勵起同頻或倍頻微波后與之進行進一步互作用，完成注波互作用，實現能量交換，再通過一個耦合裝置和陶瓷輸出窗結構將諧振腔中的同頻或倍頻微波信號能量輸出。
[0021]該微波調制冷陰極微型輻射源包括利用微波調制的冷陰極電子槍和互作用諧振腔兩部分(圖1僅顯示了利用微波調制的冷陰極電子槍的局部)。其中，利用微波調制的冷陰極電子槍包括電子槍殼體和由微波輸入層與下電極板及冷陰極、上電極板構成的電子槍槍芯。電子槍槍芯橫穿電子槍殼體，微波輸入層設置于下電極板和所述上電極板之間，且其上下表面分別與所述上電極板和所述下電極板固定；電子槍殼體上端與互作用諧振腔密封形成真空室，其下端與所述下電極板密封。
[0022]本實施例中，電子槍的上、下電極板之間增設一微波輸入層，并在微波輸入層中段的冷陰極上方開設一腔體作為電子注與調制微波互作用間隙，冷陰極嵌于電子注與調制微波互作用間隙底部的下電極板上，正對電子注與調制微波互作用間隙，在冷陰極上部的上電極板開設一組各孔尺寸小于微波波長的陣列式電子注輸出孔，作為電子注輸出孔，開孔尺寸小于微波波長(電磁場波)，開陣列孔對陰極表面處電場分布影響小，同時由于開孔尺寸小于微波波長，因此不影響調制微波的傳輸。
[0023]利用微波調制的冷陰極電子槍在真空環境中，上電極板加靜正電位后，可以使下電極板上的冷陰極產生穩定的場致發射電流；當微波以準平面波模式輸入時，微波中高頻電場矢量方向與靜電場平行，當其方向與靜電場一致時，在冷陰極表面的電場強度將被加強、與靜電場相反時則減弱；在電子注與調制微波互作用間隙內一定頻率的微波作用于冷陰極發射電場，其電場頻率也隨微波頻率發生變化，使所產生的電子注的頻率與輸入的微波頻率相同，從而有效實現了通過微波對冷陰極發射電流的調制，在相同條件下本發明中電子注與調制微波互作用間隙的空間不到常規技術的十分之一。微波功率幅值愈大電子注的調制幅度也越大，同時，通過改變輸入微波頻率和強度可以得到不同頻率和強度調制狀態的電子注，實現寬頻帶調制；對于同一輸入功率、頻率的微波情況，通過提高上、下電極板的電位差，即增大靜電場強度，也可以增大電子注的調制幅度。
[0024]互作用諧振腔的結構如下:互作用諧振腔主要由諧振腔殼體構成，在諧振腔殼體內相對的上下兩端分別設置有電子注漂移管道，兩個電子注漂移管道之間具有間隙，且位于上端的電子注漂移管道為收集極；在諧振腔殼體的一側上還設置有凸出諧振腔殼體的外導體和位于外導體內的內導體，同時，在二者之間還設置有陶瓷輸出窗片，且外導體、內導體和陶瓷輸出窗片同軸；外導體中空并與諧振腔殼體連通；在諧振腔殼體內與內導體同側還設置有耦合環，耦合環一端與內導體連接、另一