(57)【要約】陽極−陰極空間44により分離されている陽極42と陰極40を含んでいる電磁放射ソース22が提供される。ソース22はさらに、陽極42と陰極40間にｄｃ電圧を供給し、陽極−陰極空間44を横切って電界Ｅを設けるための電気接触部54、56を含んでいる。少なくとも１つの磁石58、60は、通常電界Ｅに垂直な陽極−陰極空間44内のｄｃ磁界Ｂを与えるように構成されている。複数の開口59ａ、59bは陽極−陰極空間44を規定する陽極42の表面に沿って形成され、それによって陰極40から放射される電子は陽極−陰極空間44を通る通路をたどり、開口59ａ、59bに隣接して通過するために電界Ｅと磁界Bにより影響される。共通の共振器66は電子が電磁放射を開口59ａ、59bに隣接して通過する結果として開口59ａ、59bで誘起される電磁放射を受け、その電磁放射を開口59ａ、59b方向へ戻し、所望の動作波長で各開口を横切って共振電界を発生する。
2005510841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射ソースにおいて、
陽極−陰極空間により分離されている陽極および陰極と、
陽極と陰極間に直流電圧を供給し、陽極−陰極空間を横切って電界を設定するための電気接触部と、
電界にほぼ垂直な陽極−陰極空間内の直流磁界を提供するように構成されている少なくとも１つの磁石と、
陽極−陰極空間を規定する陽極の表面に沿って形成された複数の開口と、
共通の共振器とを具備し、
陰極から放射される電子が陽極−陰極空間を通る通路で、開口に近接して通過するように電界と磁界により影響され、
前記共通の共振器は電子が開口に近接して通過し、開口に誘起される電磁放射を受け、共通の共振器はその電磁放射を開口方向へ戻し、所望の動作周波数で各開口を横切って振動電界を生成させる電磁放射ソース。
【請求項２】
発振電界は隣接する開口に関して１８０度位相がずれている請求項１記載のソース。
【請求項３】
陽極は複数の導波管をにより構成されており、各導波管の１端部は１つの開口として機能し、各導波体管の別の端部は共通の共振器に開口している請求項１記載のソース。
【請求項４】
陽極−陰極空間の表面に沿った隣接する開口は動作周波数で異なる電気長を有する導波管により形成されている請求項３記載のソース。
【請求項５】
異なる電気長を有する導波管は異なるディメンションを有する導波管により構成されている請求項４記載のソース。
【請求項６】
異なるディメンションはＨ平面である請求項５記載のソース。
【請求項７】
異なるディメンションは異なる長さを有する導波管の結果である請求項５記載のソース。
【請求項８】
電気長の差は約１／２λに等しく、λは動作周波数の波長を表している請求項４記載のソース。
【請求項９】
陰極は半径ｒｃを有する円筒形であり、
陽極は半径ｒａを有する環状形であり、陰極と同軸で整列されて陽極−陰極空間を幅ｗａ＝ｒａ−ｒｃで規定しており、
陽極の表面の周囲２πｒａはλよりも大きく、λは動作周波数の波長を表している請求項１記載のソース。
【請求項１０】
そこに位置されている陽極−陰極空間を有する中空型のシリンダを形成するため並んで整列されている複数のウェッジを具備し、各ウェッジは陽極−陰極空間に露出された開口を有する導波管を少なくとも部分的に規定する第１の凹部を有している請求項１記載のソース。
【請求項１１】
陽極はパターンに配置されている複数の電極を具備し、電極間の間隔は開口を形成する請求項１記載のソース。
【請求項１２】
パターンは円である請求項１１記載のソース。
【請求項１３】
電極は陰極周辺の円に位置されている請求項１２記載のソース。
【請求項１４】
電極はインターデジタルに配置されている請求項１１記載のソース。
【請求項１５】
電極は複数のピンを具備している請求項１１記載のソース。
【請求項１６】
ピンは陰極周辺の円に配置されている請求項１５記載のソース。
【請求項１７】
ピンは固定した直流電位に結合されている請求項１６記載のソース。
【請求項１８】
電磁放射ソースにおいて、
陽極−陰極空間により分離されている陽極と陰極と、
陽極と陰極との間に直流電圧を供給し、陽極−陰極空間を横切って電界を設定する電気的接触部と、
電界にほぼ垂直に陽極−陰極空間内に直流磁界を与えるために構成されている少なくとも１つの磁石と、
陽極の少なくとも一部を構成し、陽極−陰極空間を規定するパターンで配置されているＮ個のピン状の電極で構成されているアレイと、
電極に近接する少なくとも１つの共通の共振空洞とを具備し、
電極はその間の開口により隔てられており、陰極から放射された電子は陽極−陰極空間を通る通路をたどり、開口に近接して通過し、共通の共振器空洞内に共振電磁界を設定するために電界と磁界とにより影響される電磁放射ソース。
【請求項１９】
陰極は軸を中心とするほぼ円筒形の形状であり、Ｎ個の電極が陰極周囲を同軸的に囲む少なくとも１つの円筒形のケージを形成している請求項１８記載のソース。
【請求項２０】
電極は、陰極を同軸的に囲んで整列する複数の円筒形のケージを形成し、複数の円筒形のケージは相互に積層されている請求項１６記載のソース。
【請求項２１】
電極は軸に並列に整列されている請求項２１記載のソース。
【請求項２２】
電極のＮ／２のものは陽極−陰極空間の下部から突出し、残りの電極のＮ／２のものは陽極−陰極空間の上部から突出している請求項１９記載のソース。
【請求項２３】
陽極−陰極空間の下部から突出した電極は、陽極−陰極空間の上部から突出した電極とインターデジタルに配置されている請求項２２記載のソース。
【請求項２４】
電極は電界を設けるため固定した直流電位に接続され、交流電位は共振電磁界により電極に誘起される請求項２３記載のソース。
【請求項２５】
隣接するインターデジタルに配置された電極に誘起される交流電位はそれぞれ１８０度位相がずれている請求項２４記載のソース。
【請求項２６】
電極は管の表面に形成された導電層からパターン化されている請求項２３記載のソース。
【請求項２７】
陽極−陰極空間の上部および下部はそれぞれ上部および下部の磁極片によって規定されている請求項２３記載のソース。
【請求項２８】
電極は対応する磁極片に電気的および機械的に結合されている請求項２７記載のソース。
【請求項２９】
電極は電気的に対応する磁極片から隔離されている請求項２７記載のソース。
【請求項３０】
磁極片は電極と共通の共振空洞との間の導波管を規定している請求項２７記載のソース。
【請求項３１】
導波管は長さがほぼλ／２の整数倍であり、λは共振磁界の周波数の波長である請求項３０記載のソース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電磁放射ソース、特に電磁放射のフェイズドアレイソースに関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネトロンは技術でよく知られている。マグネトロンはマイクロ波エネルギの非常に効率的なソースとして作用する。例えばマグネトロンは種々の食品を加熱および調理するための十分なマイクロ波エネルギを発生するため電子レンジで普通に使用されている。マグネトロンの使用はこれらが高い効率で動作し、したがって過剰なパワー消費、熱散逸等に関連する価格の増加を防止することが望ましい。
【０００３】
マイクロ波マグネトロンは回転する電子空間電荷を発生するために一定の磁界を使用する。空間電荷はマイクロ波放射を発生するために複数のマイクロ波共振空洞と相互動作する。これまで、マグネトロンは通常、約１００ギガヘルツ（Ｇｈｚ）より下の最大動作周波数に限定されている。高い周波数の動作は従来は、恐らく種々の理由で実際的であるとは考えられていない。例えば、非常に高い磁界は非常に小さい寸法へマグネトロンをスケールするため必要とされる。さらに非常に小さいマイクロ波共振器を製造することはかなり困難である。このような問題は従来、高い周波数のマグネトロンを不可能にし非実用的にした。
【０００４】
最近、出願人はこれまで通常のマグネトロンでは可能ではなかった周波数で動作するのに適したマグネトロンを開発している。この高い周波数のマグネトロンは赤外線および可視光の帯域内の周波数において高効率で高パワーの電磁エネルギを発生することができ、これは紫外線、ｘ線等のような高い周波数帯域を超えて延在する。結果として、マグネトロンは長距離の光通信、商用および産業上の発生、製造等の種々の光ソースとして作用する。このようなマグネトロンは本出願人の2000年６月１日出願の米国特許出願第09/584,887号明細書および2001年３月１日出願の米国特許出願第09/798,623号明細書に詳細に記載されており、これらの全体的な説明はここで参考文献とされている。
【０００５】
この高周波数マグネトロンは非常に高い磁界を必要としないので有効である。むしろ、このマグネトロンは好ましくはさらに合理的な強度の磁界を使用し、さらに好ましくは永久磁石から得られた磁界を使用する。磁界強度は陰極と陽極との間の相互作用領域（ここでは陽極−陰極空間とも呼ばれる）内で電子空間電荷の回転半径および角速度を決定する。陽極は所望の動作波長にしたがった寸法にされた複数の小さい共振空洞を含んでいる。パイモードとして知られている動作を行うように複数の共振空洞を制限する機構が設けられている。特に、各共振空洞はすぐ隣接する各共振空洞と位相が外れたパイ放射を発振するように制限されている。出力結合器または結合器アレイは有効な出力パワーを転送するために共振空洞から離れて光放射を結合するために設けられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
それにもかかわらず、高い周波数の電磁放射ソースの開発においてさらに発展が技術で強く必要されている。例えば損失機構がさらに少なく、さらに効率が改良されている装置が強く必要とされている。特に、複数の小さい共振空洞を使用しない装置が強く必要とされている。このような装置はより大きな設計のフレキシブル性を与える。さらにこのような装置は特に非常に短い波長で電磁放射を発生するのに良好に適している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
電磁放射のフェイズドアレイソース（ここでは“フェイザ”と呼ぶ）は本発明にしたがって設けられる。フェイザは直流（ｄｃ）を単一周波数の電磁放射に変換する。その動作波長はマイクロ波帯域または赤外線光或いは可視光帯域、またはさらに短い波長に延在している。
【０００８】
例示的な実施形態では、フェイザは電子相互作用空間の外部周辺に配置される位相ラインおよび／またはインターデジタル電極のアレイを含んでいる。動作中、発振電界はアレイの隣接位相ライン／インターデジタル電極間のギャップに現われる。電界は隣接ギャップの反対方向の点に制限され、したがって効率的なマグネトロン動作に必要であるいわゆる“パイモード”フィールドを与える。
【０００９】
電子雲は相互作用空間内の対称軸を中心に回転する。電子雲が回転するとき、電子分布はその外部表面で集中され、ギアの歯に似た電子的な電荷のスポークを形成する。フェイザの動作周波数はスポークが発振周期の１／２で１つのギャップから次へ迅速に移る態様によって決定される。電子回転速度は主として永久磁界と相互作用領域に与えられた電界の強度により決定される。非常に高い周波数の動作では、位相ライン／インターデジタル電極は毎秒、多数のギャップを通過することを許容するために非常に緊密に隔てられている。
【００１０】
本発明の１つの特別な特徴によれば、電磁放射ソースが提供されている。このソースは陽極−陰極空間により分離されている陽極および陰極を含んでいる。電気接触部は陽極と陰極との間にｄｃ電圧を供給し、陽極−陰極空間を横切って電界を設定している。少なくとも１つの磁石は通常電界に垂直な陽極−陰極空間内のｄｃ磁界を提供するように構成されている。複数の開口は陽極−陰極空間を規定する陽極の表面に沿って形成され、それによって陰極から放射された電子は陽極−陰極空間を通る通路をたどり、開口に近接して通過するために電界および磁界により影響される。ソースはさらに開口に近接して通過する電子の結果として開口に誘起される電磁放射を受け、電磁放射を開口方向へ戻し、所望の動作周波数で各開口を横切って振動電界を発生する共通の共振器をさらに含んでいる。
【００１１】
本発明の別の特徴によれば、陽極−陰極空間により分離されている陽極と陰極を含んでいる電磁放射ソースが提供される。このソースはさらに、陽極と陰極間にｄｃ電圧を供給し、陽極−陰極空間を横切って電界を設定するための電気接触部を含んでいる。さらにソースはほぼ電界に垂直な陽極−陰極空間内のｄｃ磁界を提供するために構成されている少なくとも１つの磁石と、陽極の少なくとも一部を形成するＮピン状の電極を具備し、陽極−陰極空間を規定するために１パターンで構成されているアレイとを含んでいる。さらに、ソースは電極に近接する少なくとも１つの共通の共振空洞を含んでいる。電極はその間の開口により隔てられており、陰極から放射された電子は共通の共振空洞内に共振電磁界を設定するために陽極−陰極空間を通る通路をたどり、開口に近接して通過するために電磁界により影響される。
【００１２】
前述および関連する結論を実現するため、本発明は以後十分に説明し、特許請求の範囲で特に指摘されている特徴を具備する。以下の説明および添付図面は本発明のある例示的な実施形態を詳細に説明する。しかしながら、これらの実施形態は本発明の原理が使用される種々の方法の幾つかを示している。本発明の他の目的、利点、優秀な特徴は図面を伴って考察されるとき本発明の以下の詳細な説明から明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
最初に図１を参照すると、高周波数通信システム20が示されている。本発明によれば、通信システム20は電磁放射のフェイズドアレイソース（フェイザ）22を含んでいる。フェイザ22は高周波数電磁放射の高効率ソースとして作用する。このような放射は例えばマイクロ波帯域または赤外線光、或いは可視光帯域、またはさらに短い波長であってもよい。フェイザ22の出力はポイントツーポイントから光学的に情報を通信するために使用される光である。フェイザ22はここでは光帯域通信システム20での使用のコンテキストで説明されているが、フェイザ22は種々の他の応用で利用性があることが認識されるであろう。本発明は任意および全てのこのような応用を考慮する。
【００１４】
図１に示されているように、フェイザ22は例えば、赤外線、紫外線または可視光領域でのコヒーレント光のような光放射24を出力するように機能する。光放射は好ましくは１００Ｇｈｚ以上の周波数に対応する波長を有する放射である。さらに特別な実施形態では、フェイザ22は約１０ミクロンから約０．５ミクロンの範囲の波長を有する光放射を出力する。さらに特別な実施形態にしたがって、フェイザ22は約３．５ミクロンから約１．５ミクロンの範囲の波長を有する光放射を出力する。しかしながら、フェイザ22は実質上１００Ｇｈｚよりも低い周波数の応用を有することが認識されよう。
【００１５】
フェイザ22により発生される光放射24は既知の技術を使用して放射24を変調するように動作する変調器26を通過する。例えば変調器26は通信されるデータに基づいてコンピュータ制御される光シャッタであってもよい。放射24は変調された放射28として変調器26により選択的に送信される。受信装置30は送信されたデータを得るために変調された放射28を受信し、その後それを復調する。
【００１６】
通信システム20はさらに、動作ｄｃ電圧をフェイザ22へ供給するための電源32を含んでいる。以下さらに詳細に説明するように、フェイザ22は陰極と陽極との間に与えられたｄｃ電圧で動作する。例示的な実施形態では、動作電圧は１キロボルト（ｋＶ）乃至４ｋＶ程度である。しかしながら、他の動作電圧も可能であることが認識されるであろう。
【００１７】
図２および３を参照すると、フェイザ22の第１の実施形態が示されている。フェイザ22は半径ｒｃを有する円筒形の陰極40を含んでいる。陰極40のそれぞれの端部はエンドキャップ41が設けられている。陰極40は軸Ａに関して陰極40と同軸に整列されている中空の円筒形の陽極42内に存在する。陽極42は陰極40の外部表面48と陽極42の内部表面50との間に電子相互作用領域または陽極−陰極空間44を規定するためｒｃよりも大きい内側半径ｒａを有する。
【００１８】
端子52、54はそれぞれ絶縁体55を通過し、陰極40を加熱するためのパワーを供給し、また陰極40へ負（−）の高電圧を供給するため陰極40へ電気的に接続される。陽極42は端子56を経て高電圧を供給する正（＋）または接地端子へ電気的に接続される。動作中、電源32（図１）は端子52と54を経て陰極40を通るヒータ電流を与える。同時に、電源32は端子54と56を介してｄｃ電圧を陰極40と陽極42へ与える。ｄｃ電圧は陽極−陰極空間44全体を通して陰極40と陽極42との間で放射的に延在するｄｃ電界Ｅを発生する。
【００１９】
フェイザ22はさらに、陽極42のそれぞれの端部に位置される１対の磁石58と60を含んでいる。磁石58と60は陽極−陰極空間44を通して電界Ｅに垂直な軸的方向のｄｃ電界Ｂを与えるように構成されている。図３で示されているように、磁界Ｂは陽極−陰極空間44内で紙面に入射する方向である。例示的な実施形態の磁石58と60は例えば２キロガウス程度で磁界Ｂを発生する永久磁石である。磁界を発生するためのその他の手段（例えば電磁石）は、認識されるように代わりに使用される。しかしながら、１以上の永久磁石58と60はフェイザ22が例えばいくらかの程度の可搬性を与えることが望まれる場合に特に好ましい。
【００２０】
交差された磁界Ｂと電界Ｅは陰極40から放射された電子に陽極−陰極空間44を通る湾曲された通路で移動するように影響する。十分なｄｃ磁界Ｂにより、電子は陽極42に到着しないで、代わりに陰極40に戻る。
【００２１】
陽極42はそこに（図３に破線で示されている）直線の単一モードの導波管59aと59bの偶数番号のアレイを形成している。導波管59aと59bはそれぞれの位相ラインとして機能し、導波管が所望の動作波長λで単一モードで動作するように、通常の技術を使用して選択される寸法を有する。導波管59aと59bは陽極42の本体を通って陽極−陰極空間44から共通の共振空洞66へ（軸Ａに関して）放射状に延在する。特に、各導波管59aと59bのそれぞれは陽極−陰極空間44への陽極42の内側表面50に開口を含んでいる。陽極42の外側表面68では、導波管59aと59bは共通の共振空洞66中へ開口している。導波管59aと59bの開口は陽極42の内側および外側表面に沿って周囲に均等および交互に隔てられている。内側表面50に沿った開口間のギャップはＧｐにより表されている。
【００２２】
図２および３で表されているように、（ここでは公称上偶数番号の導波管と呼ぶ）導波管59aは（ここでは公称上奇数番号の導波管と呼ぶ）導波管59bと比較して比較的狭い導波管である。導波管の幅は奇数番号の導波管59bが偶数番号の導波管59aの幅Ｗａよりも大きい幅Ｗｂを有するように選択されており、それによって動作波長λで偶数番号の導波管59aと比較して付加的な１／２―λ位相遅延を与える。例示的な実施形態では、４つの偶数番号の導波管59aは軸Ａに沿って軸方向で並んで整列されており、３つの広い奇数番号の導波管59bは同様に整列されている。しかしながら、軸方向に整列される導波管の特定の数は選択の問題であり、所望の出力パワー等にしたがって異なることが認識されよう。
【００２３】
共通の共振空洞66は陽極42の外部周辺に形成され、陽極42の外部表面68と共振空洞構造72内に形成される空洞規定壁70により規定される。壁70は湾曲され、円環形の共振空洞66を形成する。壁70の曲率半径は動作周波数に応じて２．０ｃｍ乃至２．０ｍの程度である。
【００２４】
図２および３に示されているように、共振空洞構造72は陽極42周辺にフィットする円筒形のスリーブを形成する。共振空洞66はそれぞれの導波管59aと59bの外部開口と整列されるように位置付けられる。共振空洞66は以下さらに十分に説明するように、パイモードで動作するようにそれぞれの導波管59aと59bを通して発振を制約するように作用する。
【００２５】
さらに、空洞構造72は装置22の主要なハウジングとして構造的なサポートおよび／または機能を提供する役目をする。空洞構造72はまた高温動作の場合に、陽極42の冷却を促進する。
【００２６】
共通の共振空洞66は出力光放射24として透明な出力ウィンドウ76を通して共振空洞66からエネルギを結合する役目を行う１以上の出力ポート74を含んでいる。出力ポート74は共振空洞構造72の壁を通して設けられている穴またはスロットにより形成される。
【００２７】
図２および３の構造は、ここで説明する他の実施形態と共に、好ましくは陽極−陰極空間44と共振空洞66が真空内に維持されるように構成される。これは埃または塵が装置に入ることを防止し、そうでなければその動作を妨害してしまう。
【００２８】
共振空洞66は所望の動作周波数（即ち所望の動作波長λ）で可能にされたモードを有するように通常の技術を使用して設計される。このような技術は例えば、通常レーザ装置で使用される光共振器を伴って知られている。例示的な実施形態では、導波管59aと59bはテーパーされた導波管である。導波管59aと59bは所望の動作周波数より下の共振空洞66の全ての可能な共振モードに対応するカットオフ周波数に設計される。さらに、導波管59aと59bは動作周波数およびその周波数だけで前述の相対的な１／２波長位相を与えるための寸法にされている。
【００２９】
内側陽極表面50の隣接導波管の開口間の間隔Ｇｐは所望の動作波長λで利得を最適化し、さらに高い周波数における発振を抑制するために選択される。陽極−陰極空間44内に形成されるその回転電子雲が生成されて内部陽極表面50のパイモード電界と相互作用し、パイモード発振が生じる。
【００３０】
特に、特に動作中、パワーが陰極40と陽極42に供給される。電子は陰極40から放射され、陽極−陰極空間44を通る前述の湾曲通路をたどり、導波管59aと59bの開口に隣接して通過する。結果として、電磁界は導波管59aと59b内で誘起される。それにより電磁放射は、導波管59aと59bを通って伝播し、共通の共振空洞66に入る。空洞66内の電磁放射は共振を開始し、それにより陽極−陰極空間44方向に導波管59aと59bを通って結合される。
【００３１】
結果として、陰極40から放射された電子は陽極−陰極空間44内に回転電子雲を形成する。発振電界は陽極42の内部表面50で導波管59aと59bの開口間のギャップに現われる。導波管59aと59bは１／２λ位相がずれているので、ギャップ間の電界は隣接するギャップに関して反対方向の点に制約される。したがって、効率的なマグネトロン状動作に必要ないわゆる“パイモード”フィールドが与えられる。
【００３２】
電子雲は陽極−陰極空間44内で軸Ａを中心に回転する。電子雲が回転するとき、電子分布はその外部表面に集群を形成し、ギアの歯に似た電荷のスポークを形成する。フェイザ22の動作波長（λに等しい）はスポークが発振周期の１／２で１つのギャップから次へ迅速に移る態様によって決定される。電子回転速度は主に永久磁界の強度と、陽極−陰極領域44に与えられた電界の強度により決定される。非常に高い周波数の動作では、導波管59aと59bにより形成される位相ラインは毎秒多数のギャップが通過することを許容するために非常に緊密に隔てられている。
【００３３】
陽極42の導波管59aと59bの総数Ｎは陽極−陰極空間44を通って移動する電子が好ましくは光速度ｃよりも実質的に遅く移動するように選択される（例えば約０．１ｃ乃至０．３ｃ程度）。好ましくは、陽極の内側表面50の円周２πｒａはλよりも大きく、ここでλは動作周波数の波長を表している。前述したように、導波管59aと59bは陽極42の内部周辺で均一に隔てられ、総数Ｎはパイモード動作を許容するために偶数であるように選択される。
【００３４】
図２および３の前述の実施形態では、導波管59aと59bは軸Ａに垂直なそれぞれのＥ平面により方向付けされている。導波管59aと59bは直線状のテーパーされた導波管であるが、導波管は代わりにテーパーされていなくてもよいことが認識されよう。さらに、それぞれの導波管の間の位相の長さの差はより広い導波管を形成することに比較して陽極42内に湾曲された導波管59bを設けることのようなその他の技術により実行されることができる。
【００３５】
テーパーされていない導波管59aと59bを有する１実施形態の陽極42の例示的な寸法を以下説明する。  
動作周波数：３６．４Ｇｈｚ（λ＝８．２４ｍｍ＝０．３２４’’）  
内側半径ｒａ：４．５ｍｍ＝０．１７７’’  
外側半径    ：２４．０４ｍｍ＝０．９４６５’’  
導波管59a    ：０．２５４ｍｍ×５．３２ｍｍ（０．０１０’’×０．２０９’’）  
導波管59b    ：０．２５４ｍｍ×７．６７ｍｍ（０．０１０’’×０．３０２’’）  
所定の円周に沿った導波管数：１４８
製造に関しては、フェイザ22の陰極40は認識されるように、任意の種々の導電性金属から形成されることができる。陰極40は固体または単にニッケル、酸化バリウムまたは酸化ストロンチウムのような伝導性および放射材料で被覆され、或いは例えば螺旋に巻回されたトリウムタングステンフィラメントから製造されることができる。代わりに、炭素のナノチューブのようなマイクロ構造から構成される電界放射冷陰極40が使用されてよい。
【００３６】
陽極42は導電性金属および／または銅、金、アルミニウムまたは銀のような導電層で鍍金されている非導電性材料から作られる。共振空洞構造72は銅、金または銀のような導電性材料で鍍金または形成される共振空洞66の壁および出力ポート74を例外として、導電性であるか導電性ではない。陽極42と共振空洞構造72は認識されるように、別々に形成されるか単一の一体化した部材である。
【００３７】
図４のａおよびｂは、本発明の１実施形態で陽極42を形成するために使用されるウェッジを示している。前述の米国特許出願第09/798,623号明細書中で説明されているように、陽極42に類似する陽極は複数のパイ型のウェッジにより形成されてもよい。同様に、陽極42はそれぞれ図４のａおよびｂで示されているようにウェッジ80aと80bの組合わせにより形成されてもよい。
【００３８】
例えば陽極42の内側表面50は軸Ａに沿って所定の軸点を中心に円形に隔てられている複数Ｎの導波管開口を含んでいる。数Ｎと開口の寸法は前述したように所望の動作波長λにしたがっている。陽極42はここでウェッジ80と呼ぶ複数Ｎのパイ型のウェッジエレメント80aと80bにより形成される。並んで積層されるとき、ウェッジ80は陽極42の構造を形成する。
【００３９】
図４のａとｂはウェッジエレメント80aと80bの斜視図を表している。各ウェッジ80は（２π／Ｎ）ラジアンに等しい角度幅φと、陽極42の内部半径ｒａに等しい内部半径ｒａを有する。ウェッジ80の外部半径ｒｏは陽極42の外部半径ｒｏ（即ち外部表面68への放射距離）に対応する。各ウェッジ80aの正面はそこに偶数番号の導波管59aの底面および側面を形成する。同様に各ウェッジ80bの正面はそこに奇数番号の導波管59bの底面および側面を形成する。
【００４０】
Ｎ／２ウェッジ80aとＮ／２ウェッジ80bの全ては図３で表されているように完全な陽極42を形成するため交互に並んで組立てられる。各ウェッジ80の後面はしたがって隣接するウェッジ80で形成される導波管の上部表面の役目をする。
【００４１】
ウェッジ80は銅、アルミニウム、真鍮等の種々のタイプの導電性材料から形成されるか、所望ならば鍍金（例えば金）される。代わりに、ウェッジ80は少なくとも導波管59aと59bが形成される領域で導電性材料で鍍金された非導電性材料から作られてもよい。
【００４２】
ウェッジ80は任意の種々の既知の製造技術を使用して形成される。例えばウェッジ80は正確な粉砕機械を使用して機械加工されてもよい。代わりにレーザカットおよび／またはミーリング装置がウェッジの形成に使用されてもよい。別の代替として、リソグラフ技術が所望のウェッジの形成に使用されてもよい。このようなウェッジの使用は所望されるようにそれぞれの寸法の正確な制御を可能にする。
【００４３】
ウェッジ80が形成された後、陽極42を形成するためにこれらは適切な順序（即ち偶数−奇数−偶数−奇数…等）で整列される。ウェッジ80は対応するジグにより位置を保持され、ウェッジははんだ結合、鑞付けまたは他の方法で一体化した装置を形成するように共に結合されることができる。
【００４４】
図５および６は異なる陽極構造を有するフェイザ22の別の実施形態を示している。特に、先の実施形態で導波管59aと59bにより形成される位相ラインはインターデジタル電極により置換される。インターデジタル電極は動作波長λとは独立した非常に微細な電極間隔を許容する。ここで説明するそれぞれの実施形態間には多くの類似性が存在するので、関連する違いだけを簡略に以下説明する。
【００４５】
図５および６に示されているように、フェイザ22は交差する磁界Ｂを与えるために永久磁石58と60を含んでいる。各磁石58と60上の軸Ａを中心として同心的に取付けられているのは、鉄等から作られる対応する円筒形の磁極片90である。各磁極片90は銀等から作られるスムースで非常に導電性のクラディング92を含んでいる。磁極片90は、図５および６に示されているように、ほぼ対称であり相互に向合っている。磁極片90と対応するクラディング92の幅Ｗはその間に比較的広い陽極−陰極空間44を規定する。
【００４６】
例示的な実施形態では、各磁極片90は軸Ａから半径ｒｃｂの円の円周上に均等な間隔で配置されている複数の電極96を含んでいる。例示的な実施形態の電極96は銀、銅等の導電性のピンによりそれぞれ形成されている。電極96は例えば円形または方形の断面を有する。電極96は長さ１／４λを有し、λは所望の動作周波数の波長である。電極96は軸Ａと並列して対応する磁極片90のベースに機械的に結合しそこから突出している。さらに、各磁極片90からの電極96は対応する磁極片90と同一の電位を電気的に維持するようにこの実施形態では磁極片90に電気的に結合されている。さらに、上部磁極片90からの電極96は図５に示されているように下部磁極片90の電極96とインターデジタルに配置されている。結果として、円筒形の“ケージ”はそれぞれの磁極片90間に規定された陽極−陰極空間44中の陰極40の周囲に形成される。異なる磁極片からの隣接する電極96はしたがって、図７で示されているようにＧｐにより表されるギャップによって相互から隔てられる。図面に示されている電極96の数は図面を簡潔にするために減少されていることが認識されよう。
【００４７】
図５−７の実施形態にしたがって、電極96から磁極片90（クラディング92を含む）の外部エッジまでの半径方向の距離は例えば（図７）λ／２である。磁極片90の対抗面98間の間隔Ｓは（電極が対向して面する磁極片90と接触することを防止するため）λ／４よりも僅かに大きい。結果として、磁極片90の対向面98は電極96により形成される円筒形ケージのエッジで開始し共通の共振空洞66に対して開いているλ／２の半径方向に沿った長さを有する導波管または並列プレート伝送ラインを形成する。
【００４８】
陰極40はインターデジタル電極96により形成されるケージ内の中心に位置するように（下部磁石60と磁極片90を通して）軸Ａに沿って延在する。先の実施形態と同様に、端子52と54は陰極40を加熱するためのパワーを供給し、また陰極40へ負（−）の高電圧を供給するためにそれぞれ絶縁体55を通過し、陰極40に電気的に接続されている。この実施形態では各磁極片は端子56を介して電気的に高電圧電源の正（＋）または接地端子に接続されている。動作中、電源32（図１）は端子52と54を介して陰極40へヒータ電流を供給する。同時に電源32は端子54と56を介して陰極40と陽極42へｄｃ電圧を供給する。ｄｃ電圧は陽極−陰極空間44全体を通して陰極40と電極96との間に放射状に延在するｄｃ電界Ｅを発生する。
【００４９】
電子は陰極40から放射され、前の実施形態と同様に陽極−陰極空間44の直交するＥフィールドとＢフィールドを通る前述の湾曲した通路をたどる。電子はそのため、電極96に隣接して通過し、図７で表されているように隣接する電極96に反対の電荷を誘起させる。誘起された電荷はさらに磁極片90の対向面98間で外方向に共振空洞66へ放射する電磁信号を誘起する。放射された電磁信号は隣接する電極96で誘起された交互の電荷を強化するように陽極−陰極空間44の方向に共振空洞66により反射される。
【００５０】
このようにして、フェイザ22内のエネルギは陽極−陰極空間44内で形成されて回転する電子雲と関連して所望の動作周波数で発振し始める。定在波の電磁界は円環状の共振空洞66の直線表面と湾曲した表面との間に設定される。これらの電磁界の一部は磁極片90の対向面98間で内部方向にインターデジタル電極96の方向へ伝導される。発振のサイクル期間の特別な瞬間に、定在波の電磁界は上部磁極片90の面98と電極96を負に帯電させ、下部磁極片90の面98と電極96は正に帯電される。
【００５１】
結果的に交互の正および負に帯電されたインターデジタル電極96は図７で表されているように電界Ｅｈを電極96間のギャップに存在させる。定在波の電磁界が発振サイクル中の時間で反対になるとき、上部磁極片90の面98と電極96は正に帯電されるようになり、下部磁極片90の面98と電極96は負に帯電されるようになる。電極96間の水平の電界Ｅｈはしたがって各サイクル期間に方向が反対である。これらの水平電界Ｅｈはしたがってフェイザ22内で発振を発生するために陽極−陰極空間内の回転電子雲と相互作用するパイモードのフィールドになる。
【００５２】
図５−７にしたがった１実施形態では、フェイザ22の例示的な寸法および特性を以下のとおりである。  
所望の動作周波数：１０Ｇｈｚ  
磁極片90の直径（クラディング92を含める）：３．９ｃｍ  
共振空洞66の長さＬｃ：８．８６ｃｍ  
共振空洞66の幅Ｗｃ：１０．６ｃｍ  
電極96（ピン）の長さ：１／４λ  
電極96の数：４０（上部磁極片で２０；下部磁極片で２０）  
電極96の直径：０．０２０インチ  
電極96間の間隔（ギャップＧｐ）：０．０１０インチ
図８−１０はフェイザ22の別の実施形態を示している。この実施形態は広い陽極構造42が狭い陽極構造42と置換されている点を除いては、図５−７の実施形態に類似している。特に、磁極片90の直径（クラディング92を含める）は電極96により形成される円の直径（２×ｒｃｂ）よりも僅かにのみ大きい。動作は図５−７の実施形態に関して前述した動作と類似している。しかしながら、この実施形態では、共振空洞66中の定在波フィールドはインターデジタル電極96へ直接与えられる。電極96により形成される“ケージ”と共振空洞66への開口間には効率的なλ／２導波管または並列のプレート伝送線は存在しない。
【００５３】
図８−１０の狭い陽極の実施形態は特に非常に短い波長で動作するように設計されたフェイザ22を構成するのに有効である。この狭い陽極設計は軸Ａに沿って相互に上に積層されたインターデジタル電極96の多数の“ケージ”を形成することを容易にする。したがってケージピン電極96の長さが例えば赤外線および光波長で非常に短くなるときでさえも、積層されたケージは陽極−陰極空間44内に大きい相互作用表面領域を与える。
【００５４】
図１１を簡単に参照すると、陽極42の別の実施形態が本発明に従って示されている。陽極42はガラスまたはその他のタイプの誘電材料から作られている中空の円筒形チューブ110を含んでいる。インターデジタル電極96はチューブ110の内部表面上に金属化パターンとして製造される。したがって、半導体装置の製造で普通に使用される簡単なリソグラフ技術は微細で正確なインターデジタル電極96を形成するために使用されることができる。チューブ110はその後、陰極40を包囲するようにフェイザ22の軸Ａに沿って位置され、他の実施形態で示されているように磁石58と60との間に位置される。インターデジタル電極96はそれぞれ接地されているか、インターデジタル電極96と共にチューブ110の表面でパターン化されているそれぞれ上部および下部導電リング112と114を経て正のｄｃ電圧に結合される。チューブ110は電極96が非常に小さくなるとき、特に短い波長でそこに形成されている電極96のサポート基板として機能する。
【００５５】
さらに、チューブ110は外部真空容器としての役目をすることができる。チューブ110外では、フェイザ22（例えば共振空洞66）は空気で充満されている。一方で、チューブ110の内部表面に形成されるインターデジタル電極96は真空に露出され、陰極40から放射される回転電子に露出される。チューブ110の外部壁に対する空気の冷却は内部表面のインターデジタル電極96の冷却に使用されることができる。
【００５６】
したがって、チューブ110は陰極40を包囲するとき便利であり、真空を含んでいる唯一の装置22の部分である。インターデジタル電極96を含まないチューブ110の部分は、所望される場合には電磁的に反射性であるように内部表面上に金属被覆を設けられてもよい。電極96と陰極40を有するチューブ110は端部で真空内において電気接続を有する線形の光バルブと非常によく似た方法で複合構造として形成されることができる。
【００５７】
図１２は本発明にしたがったフェイザ22のさらに別の実施形態を示している。この実施形態は以下の例外を除いて図５−７の実施形態に類似している。この実施形態では、インターデジタル電極96は正の高いｄｃ電圧に保持され、磁極片90から隔離されている。図１２で示されているように、各磁極片90に関連するインターデジタル電極96はそれぞれ導電性のリング120上に形成されそこから突出している。各リング120は絶縁スペーサ122によりその対応する磁極片90から電気的に絶縁されている。
【００５８】
結果として、インターデジタル電極96は磁極片90に関して電気的に浮動している。動作において、電極96は端子56と導電リンク120を介して正（＋）の高電圧電源に電気的に接続されている。磁極片90はそれ自体は、端子54を介して陰極の接地点に結合される。陰極40とインターデジタル電極96との間に電圧差はその間に放射状に延在するＥフィールドを発生する。動作はこの場合にも前述の実施形態に類似している。
【００５９】
図１２の浮動インターデジタル電極96の実施形態は広い陽極の実施形態にしたがって示されているが、浮動インターデジタル電極96は本発明の技術的範囲を逸脱せずに図８−１０の狭い陽極の実施形態に同様に適用されることが認識されよう。さらに、フェイザ22の別の実施形態はそれらの表面98が半径方向でインターデジタル電極96により形成されるケージからテーパーされるようにフレアされた磁極片90を有するインターデジタル電極96を使用してもよい。
【００６０】
さらに、インターデジタル電極96を使用する陽極42の種々の実施形態は磁極片および／または導電リングとの両者と直接電気接触するようにそれぞれの磁極片90間に完全に延在する幾つかの電極96を含んでもよい。このような接続は所望ならば、増加したＤＣ連続性を与える。
【００６１】
陰極を囲む陽極構造についてフェイザ22をここで説明したことが認識されるであろう。別の実施形態では、構造は反対にされてもよい。すなわち、陽極が円筒形の陰極により包囲されてもよい。本発明は反対にされた形態と反対にされない形態との両者を含んでいる。
【００６２】
本発明をある好ましい実施形態に関して示し説明したが、説明を読み理解した上で、等価および変形が当業者により生成できることが明白である。本発明は全てのこのような等価および変形、変更を含み、その技術的範囲は特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】光通信システムの一部としての本発明にしたがった電磁放射のフェイズドアレイソース（フェイザ）の環境図。
【図２】本発明の１実施形態にしたがった位相ラインを含んでいるフェイザの断面図。
【図３】図２の線３−３に沿って取った本発明によるフェイザの断面の平面図。
【図４】本発明にしたがって、それぞれ図２のフェイザの陽極構造を形成するのに適した偶数番号のウェッジと奇数番号のウェッジの斜視図。
【図５】本発明の別の実施形態にしたがったインターデジタル電極および広い陽極構造を有するフェイザの断面図。
【図６】図５の線６−６に沿って取った本発明によるフェイザの相互作用領域の断面の図。
【図７】本発明にしたがった図５のフェイザの相互作用領域の概略図。
【図８】本発明のさらに別の実施形態にしたがったインターデジタル電極および狭い陽極構造を有するフェイザの断面図。
【図９】図８の線９−９に沿って取った本発明にしたがったフェイザの相互作用領域の断面の図。
【図１０】本発明にしたがった図８のフェイザの相互作用領域の概略正面図。
【図１１】本発明にしたがった陽極構造の別の実施形態の概略正面図。
【図１２】本発明の別の実施形態にしたがった浮動インターデジタル電極を有するフェイザの断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005510841.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年9月5日(2003.9.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射ソースにおいて、
陽極−陰極空間により分離されている陽極および陰極と、
陽極と陰極間に直流電圧を供給し、陽極−陰極空間を横切って電界を設定するための電気接触部と、
電界にほぼ垂直な陽極−陰極空間内の直流磁界を提供するように構成されている少なくとも１つの磁石と、
陽極−陰極空間を規定する陽極の表面に沿って形成された陽極−陰極空間開口をそれぞれ有する陽極内の複数の導波管と、
共通の共振器とを具備し、
陰極から放射される電子が陽極−陰極空間を通る通路で、陽極−陰極空間開口に近接して通過するように電界と磁界により影響され、陽極の表面は陽極−陰極空間開口以外には共振空洞に対して実質上開口がなく、
前記共通の共振器は電子が陽極−陰極空間開口に近接して通過し、それぞれの導波管を通り対応する共通の共振器側の導波管端部開口を経て共通の共振器へ伝播された陽極−陰極空間開口に誘起される電磁放射を受け、共通の共振器はその電磁放射を陽極−陰極空間開口方向へ戻し、所望の動作周波数で各開口を横切って振動電界を生成させ、
前記複数の導波管はそこを通る電磁放射に対して異なる位相を与えるように異なる電気長を有する導波管で構成されている電磁放射ソース。
【請求項２】
特別な開口の発振電界は隣接する陽極−陰極空間開口に関して１８０度位相がずれている請求項１記載のソース。
【請求項３】
異なる電気長を有する導波管は異なるディメンションを有する導波管により構成されている請求項１記載のソース。
【請求項４】
異なるディメンションはＨ平面である請求項３記載のソース。
【請求項５】
異なるディメンションは異なる長さを有する導波管の結果である請求項３記載のソース。
【請求項６】
電気長の差は約１／２λに等しく、λは動作周波数の波長を表している請求項１記載のソース。
【請求項７】
陰極は半径ｒｃを有する円筒形であり、
陽極は半径ｒａを有する環状形であり、陰極と同軸で整列されて陽極−陰極空間を幅ｗａ＝ｒａ−ｒｃで規定しており、
陽極の表面の周囲２πｒａはλよりも大きく、λは動作周波数の波長を表している請求項１記載のソース。
【請求項８】
そこに位置されている陽極−陰極空間を有する中空型のシリンダを形成するため並んで整列されている複数のウェッジを具備し、各ウェッジは陽極−陰極空間に露出された開口を有する導波管を少なくとも部分的に規定する第１の凹部を有している請求項１記載のソース。
【請求項９】
電磁放射ソースにおいて、
陽極−陰極空間により分離されている陽極と陰極と、
陽極と陰極との間に直流電圧を供給するためにそれぞれ陽極と陰極に取付けられ、陽極−陰極空間を横切って電界を設定する電気的接触部と、
電界にほぼ垂直に陽極−陰極空間内に直流磁界を与えるために構成されている少なくとも１つの磁石と、
陽極の少なくとも一部を構成し、陽極−陰極空間を規定するパターンで配置されているＮ個のピン状の電極で構成されているアレイと、
Ｎ個の電極に近接する少なくとも１つの共通の共振空洞とを具備し、
前記Ｎ個の電極はその間の開口により隔てられており、陰極から放射された電子は陽極−陰極空間を通る通路をたどり、開口に近接して通過し、少なくとも１つの共通の共振器空洞内に共振電磁界を設定するために電界と磁界とにより影響され、
陽極−陰極空間を規定するＮ個の電極のパターンの周囲長はλよりも大きく、λは電磁放射ソースの動作周波数の波長を表している電磁放射ソース。
【請求項１０】
陰極は軸を中心とするほぼ円筒形の形状であり、Ｎ個の電極が陰極周囲を同軸的に囲む少なくとも１つの円筒形のケージを形成している請求項９記載のソース。
【請求項１１】
Ｎ個の電極は、陰極を同軸的に囲む複数の円筒形のケージを形成し、複数の円筒形のケージは相互に積層されている請求項１０記載のソース。
【請求項１２】
電極は軸に並列に整列されている請求項１０記載のソース。
【請求項１３】
電極のＮ／２のものは陽極−陰極空間の下部から突出し、残りの電極のＮ／２のものは陽極−陰極空間の上部から突出している請求項１０記載のソース。
【請求項１４】
陽極−陰極空間の下部から突出した電極は、陽極−陰極空間の上部から突出した電極とインターデジタルに配置されている請求項１３記載のソース。
【請求項１５】
Ｎ個の電極は電界を設けるため固定した直流電位に接続され、交流電位は共振電磁界により電極に誘起される請求項１４記載のソース。
【請求項１６】
隣接するインターデジタルに配置された電極に誘起される交流電位はそれぞれ１８０度位相がずれている請求項１５記載のソース。
【請求項１７】
Ｎ個の電極は管の表面に形成された導電層からパターン化されている請求項１４記載のソース。
【請求項１８】
陽極−陰極空間の上部および下部はそれぞれ上部および下部の磁極片によって規定されている請求項１４記載のソース。
【請求項１９】
Ｎ個の電極は対応する磁極片に電気的および機械的に結合されている請求項１８記載のソース。
【請求項２０】
Ｎ個の電極は電気的に対応する磁極片から隔離されている請求項１８記載のソース。
【請求項２１】
磁極片はＮ個の電極と少なくとも１つの共通の共振空洞との間の導波管を規定している請求項１８記載のソース。
【請求項２２】
導波管は長さがほぼλ／２の整数倍であり、λは共振磁界の周波数の波長である請求項２１記載のソース。
【国際調査報告】
2005510841.tif 000015
2005510841.tif 000016
2005510841.tif 000017