(57)【要約】【課題】  電界放出型の高周波増幅器を提供する。【解決手段】  基板上にＲＦ増幅部を含む電界放出型の高周波増幅器である。前記ＲＦ増幅部は、前記基板上に形成されたカソード電極と、前記カソード電極の一側に離隔して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の一側に形成されたアノード電極と、前記カソード電極上で形成された電子放出源と、前記基板の上方に前記基板と平行に形成された反射電極を備える。前記カソード電極にＲＦ信号入力端とＤＣカソードバイアス電圧とが電気的に連結され、前記アノード電極にＲＦ出力端とＤＣアノードバイアス電圧とが電気的に連結される。【選択図】            図３
2005229599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＲＦ増幅部を含むＲＦ増幅器において、
前記ＲＦ増幅部は、
前記基板上に形成されたカソード電極と、
前記カソード電極の一側に離隔して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の一側に前記カソード電極と反対方向の一側に形成されたアノード電極と、
前記カソード電極上で電界により電子を放出する電子放出源と、
前記基板の上方に前記基板と平行に形成された反射電極と、を備え、
前記カソード電極にＲＦ信号入力端とＤＣカソードバイアス電圧とが電気的に連結され、前記アノード電極にＲＦ出力端とＤＣアノードバイアス電圧とが電気的に連結されることを特徴とする電界放出型の高周波増幅器。
【請求項２】
前記反射電極及び前記基板間には前記カソード電極、前記ゲート電極及び前記アノード電極を含む真空空間が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の電界放出型の高周波増幅器。
【請求項３】
前記反射電極には前記電子放出源からの電子を反射させて前記アノード電極へ誘導するように負極電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の電界放出型の高周波増幅器。
【請求項４】
前記アノード電極、前記ゲート電極及び前記カソード電極は前記基板上に同じ平面に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電界放出型の高周波増幅器。
【請求項５】
前記電子放出源はＣＮＴであることを特徴とする請求項１に記載の電界放出型の高周波増幅器。
【請求項６】
基板上に複数のＲＦ増幅部を含むＲＦ増幅器において、
前記ＲＦ増幅部は、
前記基板上に形成されたカソード電極と、
前記カソード電極の一側に離隔して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の一側に前記カソード電極と反対方向の一側に形成されたアノード電極と、
前記カソード電極上で電界により電子を放出する電子放出源と、
前記基板の上方に前記基板と平行に形成された反射電極と、を備え、
前記カソード電極にＲＦ信号入力信号とＤＣカソードバイアス電圧とが電気的に連結され、前記アノード電極にＲＦ出力信号とＤＣアノードバイアス電圧とが電気的に連結されることを特徴とする電界放出型の高周波増幅器。
【請求項７】
前記反射電極及び前記基板間には前記ＲＦ増幅部の前記カソード電極、前記ゲート電極及び前記アノード電極を含む真空空間が形成されたことを特徴とする請求項６に記載の電界放出型の高周波増幅器。
【請求項８】
前記反射電極には前記電子放出源からの電子を反射させて対応する前記アノード電極へ誘導するように負極電圧が印加されることを特徴とする請求項６に記載の電界放出型の高周波増幅器。
【請求項９】
前記ＲＦ増幅部の前記アノード電極、前記ゲート電極及び前記カソード電極は前記基板上に同じ平面に配されたことを特徴とする請求項６に記載の電界放出型の高周波増幅器。
【請求項１０】
前記電子放出源はＣＮＴであることを特徴とする請求項６に記載の電界放出型の高周波増幅器。
【請求項１１】
前記ＲＦ増幅部は直列に連結されることを特徴とする請求項６に記載の電界放出型の高周波増幅器。
【請求項１２】
前記ＲＦ増幅部間にはキャパシタが連結され、
前記キャパシタはその一端が先行するＲＦ増幅部のアノード電極に連結され、他端が後続するＲＦ増幅部のカソード電極に連結されることを特徴とする請求項１１に記載の電界放出型の高周波増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電界放出型の高周波増幅器に係り、特に電界放出素子が増幅作用を行う高周波増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＦ（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｒｑｅｎｃｙ）増幅器は所定のＤＣバイアス電圧を印加した状態で高周波を有する信号をＲＦ入力端に入力し、ＲＦ出力端に振幅が増幅された高周波を出力する。このようなＲＦ増幅のためには前記入力端及び出力端間にＲＦ増幅部を配置する。
【０００３】
前記ＲＦ増幅部としてはトランジスタが用いられる。しかし、トランジスタはシリコン固体を使用するので電子のモビリティが悪い。
【０００４】
したがって、真空状態で電子の移動が可能な真空管がトランジスタの代わりに用いられるが、従来の真空管はその体積の大きさに問題がある。
【０００５】
最近では真空パネル内の電界放出素子を前記増幅部として使用する研究が進みつつある。非特許文献１に開示されたところでは、シリコンフィールドエミッターアレイ（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｔｔｅｒ  ａｒｒａｙ）を使用してＲＦ増幅をなした。
【０００６】
しかし、前記ＲＦ増幅に用いられたＦＥＡ（ｆｅｉｅｌｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ａｒｒａｙ）構造は厚さ４μｍのシリコンオキシドのゲート絶縁層を使用するので、ゲート及びカソード間のキャパシタンスの増加でＲＦ機器の標準入出力抵抗５０Ωをマッチングし難い。また、このようなキャパシタンスの増加は出力電流を小さくするので、ＲＦシグナルの増幅効果が微々たるものであるという問題点がある。
【非特許文献１】Ｄ．Ｐａｌｍｅｒら、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ．Ｂ１３（２），Ｍａｒ／Ａｐｒ  １９９５  ｐｐ．５７６−５７９、“Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｔｔｅｒ  ａｒｒａｙｓ  ｗｉｔｈ  ｌｏｗ  ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  ａｎｄ  ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｆｏｒ  ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は真空電界放出素子を平板型に配して他のＲＦ端子とのインピーダンスマッチングを容易にし、ＲＦ増幅効果が向上した電界放出型の高周波増幅器を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために本発明に係る電界放出型の高周波増幅器は、基板上にＲＦ増幅部を含むＲＦ増幅器において、前記ＲＦ増幅部は、前記基板上に形成されたカソード電極と、前記カソード電極の一側に離隔して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の一側に前記カソード電極と反対方向の一側に形成されたアノード電極と、前記カソード電極上で電界により電子を放出する電子放出源と、前記基板の上方に前記基板と平行に形成された反射電極と、を備え、前記カソード電極にＲＦ信号入力端とＤＣカソードバイアス電圧とが電気的に連結され、前記アノード電極にＲＦ出力端とＤＣアノードバイアス電圧とが電気的に連結されることを特徴とする。
【０００９】
前記反射電極及び前記基板間には前記カソード電極、前記ゲート電極及び前記アノード電極を含む真空空間が形成されうる。
【００１０】
前記反射電極には前記電子放出源からの電子を反射させて前記アノード電極へ誘導するように負極電圧が印加される。
【００１１】
前記アノード電極、前記ゲート電極及び前記カソード電極は前記基板上に同じ平面に配置される。
【００１２】
前記電子放出源はＣＮＴであることが望ましい。
【００１３】
前記目的を達成するために本発明に係る電界放出型の高周波増幅器は、基板上に複数のＲＦ増幅部を含むＲＦ増幅器において、前記ＲＦ増幅部は、前記基板上に形成されたカソード電極と、前記カソード電極の一側に離隔して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の一側に前記カソード電極と反対方向の一側に形成されたアノード電極と、前記カソード電極上で電界により電子を放出する電子放出源と、前記基板の上方に前記基板と平行に形成された反射電極と、を備え、前記カソード電極にＲＦ信号入力信号とＤＣカソードバイアス電圧とが電気的に連結され、前記アノード電極にＲＦ出力信号とＤＣアノードバイアス電圧とが電気的に連結されることを特徴とする。
【００１４】
前記ＲＦ増幅部は直列に連結される。
【００１５】
前記ＲＦ増幅部間にはキャパシタが連結され、前記キャパシタはその一端が先行するＲＦ増幅部のアノード電極に連結され、他端が後続するＲＦ増幅部のカソード電極に連結されることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る電界放出型の高周波増幅器は、高周波増幅部であって、真空状態の平板型電界放出素子を使用するので、増幅部での電子のモビリティが増加して増幅効率が向上する。また、電界放出素子をなす電極を平板に配することによって、ゲート電極及びカソード電極間のキャパシタンスを減らせるので、標準インピーダンスを形成しやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付された図面を参照しつつ本発明に係る電界放出型の高周波増幅器の望ましい実施形態を詳細に説明する。この説明の過程で参照される図面に示された層や領域などの厚さは、明細書の明確性のために誇張して示されている。
【００１８】
図１は、本発明の望ましい実施形態に係る電界放出型の高周波増幅器に用いられる高周波増幅部の概略的構成を示す断面図である。
【００１９】
図１を参照すれば、高周波増幅器で基板１１０の上部にアノード電極１４０、ゲート電極１３０及びカソード電極１２０が所定間隔に離隔して配されている。前記カソード電極１２０上には電子放出源、例えばＣＮＴエミッタ１２１が形成される。前記基板１１０から所定間隔をおいて反射電極１５０が配されている。前記反射電極１５０の外郭と前記基板１１０間には壁体１６０が形成されており、その内部は真空空間が形成される。前記真空空間を真空とする方法は従来の平板ディスプレーで使われる高温排ガス方法が用いられる。また、前記基板１１０及び／または反射電極１５０の内面にＳＴ１２２のようなガスを吸着するゲッタ物質を配して真空空間を形成することもできる。
【００２０】
前記基板１１０としては、絶縁物質、主にアルミナ物質または石英が用いられる。
【００２１】
前記アノード電極１４０、ゲート電極１３０及びカソード電極１２０は導電性物質であるＩＴＯまたはＣｒで０．２５μｍ程度の厚さに製造されうる。ゲート電極１３０及びカソード電極１２０間には５０μｍのギャップが形成されている。前記アノード電極１４０、ゲート電極１３０及びカソード電極１２０は５００〜９００μｍの幅に形成されうる。このような５００〜９００μｍの幅の設計はＲＦマイクロストリップ回路におけるインピーダンスマッチングを容易にする。
【００２２】
前記ＣＮＴエミッタ１２１はスクリーンプリンティング及びベイキング工程よりなり、また、カソード電極１２０上にＣＮＴ触媒金属を形成した後で炭素含有ガスを流して、前記ＣＮＴ触媒金属上にＣＮＴを成長させることもできる。
【００２３】
図２は、図１の電子放出素子の作用をシミュレーションした図面である。図１及び図２を共に参照すれば、アノード電極１４０、ゲート電極１３０及びカソード電極１２０は同じ平面に配し、各々９００、５００、５００μｍの幅に設計し、アノード電極１４０及びゲート電極１３０間のギャップ及びゲート電極１３０及びカソード電極１２０間のギャップは各々８００μｍ及び５０μｍに設計した。前記電極の長手方向は１ｍｍに設計した。そして、反射電極１５０は下部電極１２０、１３０、１４０から１．１ｍｍ離隔して配した。
【００２４】
また、アノード電極１４０、カソード電極１２０及び反射電極１５０には各々１．５ｋＶ、−１３０Ｖ、−１４０ＶＤＣ電圧を印加し、ゲート電極１３０は接地させた。前記反射電極１５０には前記カソード電極１２０に印加される電圧より大きい負電圧が印加されることが望ましい。ゲート電極１３０によってカソード電極１２０から抽出された電子はゲート電極１３０方向に曲がって進み、負電圧に印加された反射電極１５０によってその方向が変わりつつ強い電圧が印加されたアノード電極１４０に衝突する。
【００２５】
図３は、本発明の一実施形態に係るＲＦ増幅器の概略的な平面図である。前記実施形態の構成要素と実質的に同じ構成要素には同じ参照符号を使用し、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
図３を参照すれば、ＲＦ増幅器にはＲＦ増幅部が配されている。各ＲＦ増幅部は基板１１０上の電極１２０、１３０、１４０と、前記電極１２０、１３０、１４０と対向すべく上方に離隔して配された反射電極１５０と、反射電極１５０の外郭と基板１１０をシーリングする壁体（図１の１６０）よりなっている。ＲＦ増幅部の内部空間は真空状態に保たれる。
【００２７】
カソード電極１２０の一側にはＲＦ入力端２１０からのＲＦ信号が入力される。前記ＲＦ入力端２１０及び前記カソード電極１２０間には直流バイアス電圧をフィルタリングするキャパシタＣ１が配されている。また、各カソード電極１２０には外部ＤＣバイアスカソード電圧−ＶｃがインダクタＬ１を通じて印加される。このインダクタＬ１はカソード電極１２０に交流成分が入力されることをフィルタリングする。
【００２８】
ゲート電極１３０は接地されている。
【００２９】
アノード電極１４０にはインダクタＬ３を通じてＤＣバイアスアノード電圧＋Ｖａが印加される。このインダクタＬ３はアノード電極１４０への交流成分の入力を遮断する。
【００３０】
アノード電極１４０から増幅されたＲＦ信号はキャパシタＣ３を経てＲＦ出力端２２０に入力される。前記キャパシタＣ３は直流バイアス電圧がＲＦ出力端２２０に流れることを遮断する。
【００３１】
一方、キャパシタＣ４、Ｃ５はＲＦ入力端２１０からＲＦ信号がリークされることを遮断するブロッキングキャパシタである。該キャパシタＣ４、Ｃ５と、該キャパシタＣ４、Ｃ５と対応するインダクタＬ１、Ｌ３は低周波フィルターを形成する。
【００３２】
前記構造のＲＦ増幅器の作用を図面に基づいて説明する。
【００３３】
まず、ＲＦ入力端２１０から入力されたＲＦ信号はカソード電極１２０でＤＣバイアスカソード電圧−Ｖｃと合成される。次いで、ゲート電極１３０によりカソード電極１２０上のＣＮＴエミッタ１２１から電子が放出されてゲート電極１３０側に曲がる。この時、反射電極１５０に印加された負電圧により電子は反射電極１５０から反射されてアノード電極１４０に向かう。この際、カソード電圧−Ｖｃ及びゲート電圧間の電圧差大きさによってアノード電極１４０でのＲＦ信号の電流変化幅が上昇する。すなわち、ゲート電極１３０が接地されてカソード電極１２０に−１２０〜−１４０ＶＤＣ電圧が印加されれば、アノード電極１４０に衝突する電子によってアノード電極１４０でのＲＦ信号の電流変化幅△Ｉが増加し、よって、ＲＦ信号はメタルストリップであるアノード電極１４０のインピーダンスと前記電流変化幅△Ｉの積である電圧変化幅△Ｖを有する。すなわち、ＲＦ入力端２１０に入力されたＲＦ信号の電圧変化幅がアノード電極１４０で増加した状態になるので、ＲＦ信号が増幅される。
【００３４】
参照符号Ｃ１は、キャパシタであって、ＲＦ入力端２１０から入力されるＲＦ信号からＤＣ成分を除去する。
【００３５】
一方、Ｌ１及びＬ３はインダクタであって、カソードバイアス電圧−Ｖｃまたはアノードバイアス電圧＋ＶａからのＤＣバイアス電圧を通過させ、交流成分をブロッキングする。
【００３６】
キャパシタＣ４、Ｃ５はカソード電極１２０及びアノード電極１４０でのＲＦ信号がインダクタＬ１、Ｌ３を通じてリークされることをブロッキングする。
【００３７】
図４は、図３の等価回路図である。
【００３８】
図４を参照すれば、Ｚ１及びＺ２は各々該当電極に連結されたバイアスＤＣ電圧の経路にあるキャパシタ及びインダクタのキャパシタンス及びインダクタンスより形成されたインピーダンスを示す。前記構造のインピーダンスはキャパシタンスの減少でＲＦ回路のインピーダンスマッチングに必要な標準インピーダンスに近く容易に形成しうる。
【００３９】
図５は、本発明の他の実施形態に係るＲＦ増幅器の概略的な平面図である。前記実施形態の構成要素と実質的に同じ構成要素には同じ参照符号を使用して詳細な説明は省略する。
【００４０】
図５を参照すれば、ＲＦ増幅器には２つのＲＦ増幅部が配されている。各ＲＦ増幅部は基板１１０上の電極１２０、１３０、１４０と、前記電極１２０、１３０、１４０と対向すべく上方に離隔して配された反射電極１５０と、反射電極１５０の外郭と基板１１０とをシーリングする壁体（図１の１６０）とよりなっている。これらＲＦ増幅部の内部空間は真空状態に保たれる。
【００４１】
各ＲＦ増幅部間にはキャパシタＣ２が配されて第１ＲＦ増幅部からのＲＦパワーのうちＤＣバイアス電圧をフィルタリングし、ＲＦ信号だけを通過させる。
【００４２】
各カソード電極１２０の一側にはＲＦ入力端２１０からのＲＦ信号または第１ＲＦ増幅部で増幅されたＲＦ信号が入力される。前記ＲＦ信号及び前記カソード電極１２０間には直流バイアス電圧をフィルタリングするキャパシタＣ１及びＣ２が配されている。また、各カソード電極１２０には外部ＤＣバイアスカソード電圧−Ｖｃが各々インダクタＬ１、Ｌ２を通じて印加される。このインダクタＬ１、Ｌ２はカソード電極１２０への交流成分の入力をフィルタリングする。
【００４３】
各ゲート電極１３０は接地されている。
【００４４】
各アノード電極にはインダクタＬ３、Ｌ４を通じてＤＣバイアスアノード電圧Ｖａが印加される。このインダクタＬ３、Ｌ４はアノード電極１４０への交流成分の入力を遮断する。
【００４５】
第２ＲＦ増幅部を通過してアノード電極１４０で増幅されたＲＦ信号はキャパシタＣ３を経てＲＦ出力端２２０に入力される。前記キャパシタＣ３は直流バイアス電圧がＲＦ出力端に流れるのを遮断する。
【００４６】
一方、キャパシタＣ４、Ｃ５はＲＦ入力端２１０から、または２次増幅部に入力されたＲＦ信号がリークされることを遮断するブロッキングキャパシタである。このキャパシタＣ４、Ｃ５と対応するインダクタＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は低周波フィルターを形成する。
【００４７】
前記構造のＲＦ増幅器の作用を図面に基づいて説明する。
【００４８】
まず、ＲＦ入力端２１０から入力されたＲＦ信号はカソード電極１２０でＤＣバイアスカソード電圧−Ｖｃと合成される。次いで、ゲート電極１３０によりカソード電極１２０上のＣＮＴエミッタ１２１から電子が放出されてゲート電極１３０側に曲がる。この際、反射電極１５０に印加された負電圧により電子は反射電極１５０から反射されてアノード電極１４０に向かう。この際、カソード電圧−Ｖｃ及びゲート電圧間の電圧差の大きさによってアノード電極１４０でのＲＦ信号の電流変化幅が上昇する。すなわち、ゲート電極１３０が接地されてカソード電極１２０に−１２０〜−１４０ＶＤＣ電圧が印加されれば、アノード電極１４０に衝突する電子によってアノード電極１４０でのＲＦ信号の電流変化幅△Ｉが増加され、したがって、ＲＦ信号はメタルストリップであるアノード電極１４０のインピーダンスと前記電流変化幅△Ｉの積である電圧変化幅△Ｖを有する。すなわち、ＲＦ入力端２１０に入力されたＲＦ信号の電圧変化幅がアノード電極１４０で増加された状態になるので、ＲＦ信号が増幅される。
【００４９】
次いで、アノード電極１４０で増幅されたＲＦ信号はキャパシタＣ２を通過しつつＤＣバイアスはブロッキングされる。したがって、第２ＲＦ増幅部のカソード電極１２０に１次増幅されたＲＦ信号が入力される。このように第２ＲＦ増幅部に入力されたＲＦ信号は前述したような方法で第２ＲＦ増幅部で増幅された状態で出力されてキャパシタＣ３に入力される。キャパシタＣ３を通過したＲＦ信号はＤＣ電圧が除去された状態でＲＦ出力端２２０に出力される。
【００５０】
参照符号Ｃ１はキャパシタであって、ＲＦ入力端２１０から入力されるＲＦ信号からＤＣ成分を除去する。
【００５１】
一方、Ｌ１〜Ｌ４はインダクタであって、カソードバイアス電圧−Ｖｃまたはアノードバイアス電圧＋ＶａからのＤＣバイアス電圧を通過させて交流成分をブロッキングする。
【００５２】
参照符号Ｃ４、Ｃ５は、カソード電極１２０及びアノード電極１４０でのＲＦ信号がインダクタを通じてリークされることをブロッキングする。
【００５３】
図６は、図５の等価回路図である。
【００５４】
図６を参照すれば、Ｚ１〜Ｚ４は各々該当電極に連結されたバイアスＤＣ電圧の経路にあるキャパシタ及びインダクタのキャパシタンス及びインダクタンスで形成されたインピーダンスを示す。前記構造のインピーダンスはキャパシタンスの減少でＲＦ回路のインピーダンスマッチングに必要な標準インピーダンスに近く容易に形成されうる。
【００５５】
前記実施形態では２つのＲＦ増幅部を備えたＲＦ増幅器を説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。すなわち、３つ以上のＲＦ増幅部を備えたＲＦ増幅器も可能である。
【００５６】
本発明は図面を参照して実施形態に基づいて説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならばこれより多様な変形及び均等な実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲によって決まるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、真空電界放出素子を平板型に配して他のＲＦ端子とのインピーダンスマッチングを容易にしてＲＦ増幅効果が向上させうるので、改善された電界放出型の高周波増幅器として好適に適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の望ましい実施形態に係る電界放出型の高周波増幅器に使われる高周波増幅部の概略的な構成を示す断面図である。
【図２】図１の電子放出素子の作用をシミュレーションした図面である。
【図３】本発明の一実施形態に係るＲＦ増幅器の概略的な平面図である。
【図４】図３の等価回路図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るＲＦ増幅器の概略的な平面図である。
【図６】図５の等価回路図である。
【符号の説明】
【００５９】
１１０        基板
１２０        カソード電極
１３０        ゲート電極
１４０        アノード電極
１５０        反射電極
２１０        ＲＦ入力端
２２０        ＲＦ出力端
Ｃ１〜Ｃ５        キャパシタ
Ｌ１〜Ｌ４        インダクタ
【図１】
2005229599.tif 000003
【図２】
2005229599.tif 000004
【図３】
2005229599.tif 000005
【図４】
2005229599.tif 000006
【図５】
2005229599.tif 000007
【図６】
2005229599.tif 000008