一种微波调制冷阴极微型阵列式辐射源及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微波、毫米波、亚毫米波以及太赫兹频段辐射源技术领域，涉及一种电真空辐射源器件，具体的说，是涉及一种微波调制冷阴极微型阵列式辐射源及其实现方法。
【背景技术】
[0002]微波、毫米波、亚毫米波电真空辐射源器件作为雷达、电子对抗、空间通讯等军事电子系统不可缺少的核心器件，一直受到广泛重视。传统的电真空辐射源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，热发射阴极工艺已非常成熟，被广泛应用于各类电真空辐射源器件中，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，阴极中加热用的灯丝容易断裂或短路，导致器件损坏；另一方面，由于需要加热功率，增加了系统的复杂性，降低了系统效率，需要较长时间才能达到工作温度，尤其对于大功率器件，其启动时间往往长达几分钟，给使用带来很大不便；同时，由于热阴极结构复杂也是电真空辐射源器件难以集成的主要原因之一。
[0003]固态半导体辐射源器件相比热阴极电真空辐射源具有体积小，可集成，响应速度快等优点，但是其具有:抗干扰、耐辐射能力弱，功率低等缺点，特别是在太空环境下，固态辐射源器件可靠性很难得到保证。
[0004]微型电真空辐射源器件有望解决上述两类器件存在的问题，相比热阴极电真空器件它具有体积小、可集成等特点，相比固态辐射源器件它具有抗干扰、耐辐射能力强，同时，输出功率大等特点。在微型电真空辐射源器件中，首先需要采用场发射冷阴极来解决自由电子源的产生，与热电子发射相比，场发射冷阴极具有功耗低、可集成、尺寸小、响应速度快等一系列优点，与固态器件相比具有抗干扰，耐辐射能力强，功率大的优点，因此，它是微型电真空辐射源器件的理想电子发射源。
[0005]传统微波电真空器件中速调管的输出功率现在已可以做到很高，但是速调管的体积相对比较大，难以做到集成，传统速调管至少需要一个输入、输出腔才能实现信号的放大。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构简单、实现方便的微波调制冷阴极微型阵列式辐射源。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
一种微波调制冷阴极微型阵列式辐射源，包括:
利用微波调制的冷阴极电子枪，用于作为电子源；
阵列式互作用谐振腔，与所述利用微波调制的冷阴极电子枪配合使用；
所述阵列式互作用谐振腔包括两个以上等距布置的互作用谐振腔，且相邻互作用谐振腔的中心间距L大于零； 所述互作用谐振腔包括谐振腔壳体，两个相对并分别设置在所述谐振腔壳体内部上、下两端的电子注漂移管道，两个电子注漂移管道之间具有间隙，且位于上端的电子注漂移管道为收集极；
在所述谐振腔壳体的一侧上还设置有凸出所述谐振腔壳体的外导体和位于所述外导体内的内导体，同时，在二者之间还设置有陶瓷输出窗片，且所述外导体、所述内导体和所述陶瓷输出窗片同轴；所述外导体中空并与所述谐振腔壳体连通；
在所述谐振腔壳体内与所述内导体同侧还设置有耦合环，所述耦合环一端与所述内导体连接、另一端与所述谐振腔壳体内壁连接。
[0008]进一步的，所述耦合环、外导体、内导体和陶瓷输出窗片设置于所述谐振腔壳体内部的上端并位于所述电子注漂移管道的一侧。
[0009]进一步的，所述利用微波调制的冷阴极电子枪包括电子枪壳体，和由微波输入层与下电极板及冷阴极、上电极板构成的电子枪枪枪芯；
所述电子枪枪枪芯横穿所述电子枪壳体，所述微波输入层设置于所述下电极板和所述上电极板之间，且其上下表面分别与所述上电极板和所述下电极板固定；
所述电子枪壳体上端与所述互作用谐振腔密封形成真空室，其下端与所述下电极板密封；
在所述微波输入层的中段设有一正对所述电子注漂移管道的电子注与调制微波互作用间隙，所述冷阴极则嵌于所述电子注与调制微波互作用间隙底部的所述下电极板上，使得所述电子注漂移管道对准电子枪电子注通道；
在所述上电极板上正对所述冷阴极和所述电子注与调制微波互作用间隙的区域开设有阵列式电子注输出孔；所述阵列式电子注输出孔的各孔尺寸均小于微波波长。
[0010]进一步的，所述冷阴极个数与所述互作用谐振腔的个数匹配。
[0011 ] 进一步的，相邻的所述互作用谐振腔的中心间距L满足以下关系:
当要求两相邻互作用谐振腔相位相同时，两互作用谐振腔之间的中心间距L为微波输入层中微波半波长的偶数倍；
当要求各相邻两互作用谐振腔相位相反时，两互作用谐振腔之间的中心距为微波输入层中微波半波长的奇数倍。
[0012]进一步的，所述微波半波长的偶数倍为2、4、6、8、10、12或14倍；所述微波半波长的奇数倍为3、5、7、9、11、13或15倍
进一步的，所述阵列式电子注输出孔置于所述电子枪壳体内腔轴线位置，下电极板、电子枪枪芯两侧及上电极板顶面、谐振腔壳体通过电子枪壳体密封固定成一体。
[0013]进一步的，所述阵列式电子注输出孔通过激光刻蚀而成，其孔的形状为圆孔、方孔或条形孔。
[0014]进一步的，所述微波输入层为介电常数为2-10的绝缘介质。
[0015]微波调制冷阴极微型阵列式辐射源的实现方法，包括以下步骤:
(1)上电极板接直流电压，下电极板接地的步骤；
(2)将微波从微波输入层左端输入的步骤；此时，冷阴极表面同时在静电场和微波产生的高频场的作用下得到多个调制电子注；
(3)各个调制电子注通过各自的阵列式电子注输出孔进入电子注漂移管道的步骤； (4)调制电子注在各自的真空谐振腔中自激振荡，产生同频/倍频微波辐射，调制电子注能量转化为微波；
(5)通过耦合环和同轴结构输出微波，实现输入信号的同频/倍频放大输出，同时输入信号与输出信号是分离的；
(6)根据各个冷阴极/谐振腔在调制微波传输方向上具体位置，控制各个输出微波信号的相位，实现相位可控。
[0016]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
本发明使用微波调制冷阴极阵列电子枪作为电子源，配合阵列互作用谐振腔，利用微波中的高频电场在阴阳极之间对各个电子注进行发射密度调制后，各个电子注通过各自上电极板、阵列式电子注输出孔进入各自谐振腔后，分别自激产生同频/倍频微波辐射并与之进一步发生互作用，电子注将其能量交给微波产生电磁辐射，其只需使用一个谐振腔就可以实现信号的同频/倍频放大输出，从而减小器件的结构体积和加工难度，同时阵列中各个辐射源相位可控，这对微波电真空器件做到微型化、集成化有积极意义。
【附图说明】
[0017]图1是本发明-实施例1的剖面示意图。
[0018]图2是本发明-实施例2的剖面示意图。
[0019]图3是本发明-实施例3的剖面示意图。
[0020]上述附图中，附图标记对应的部件名称如下:1.收集极，2.谐振腔壳体，3.耦合环，4.内导体，4-1.外导体，5.陶瓷输出窗片，6上电极板，7.下电极板，8.冷阴极，9.阵列式电子注输出孔，10.电子枪壳体，11.微波输入层，11-1.电子注与调制微波互作用间隙，12.电子注漂移管道。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
[0022]实施例1
如图1所示