КАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ СВЧ
SHF CASCADE AMPLIFIER

Изобретение относится к области электронных приборов СВЧ и по физическим принципам функционирования близко к вакуумным усилителям с распределенным взаимодействием.
Развитие вакуумной микроэлектроники связано с освоением технологии изготовления автоэмиссионных катодов и построением на их основе усилителей СВЧ диапазона. Одной из возможных реализаций такого усилителя является распределенный усилитель, принципы работы которого подробно описаны в [Ginston EX., Hewlett W.R., Jasberg J.H. Distributed amplification // Proc. IRE. 1948. V. 36. P. 956]. С появлением вакуумных микроэлектронных триодов с автоэмиссионными катодами было показано в [Кабанов И.Н. Расчет микровакуумных триодов на матричных автоэмиссионных катодах // 8-я международная конференция КрыМиКо, сентябрь 1998, с. 205-207], [Патент США US 4987377 А, МПК: H01J 3/02; H03F 1/18; H03F 3/60; (IPC1-7): H03F 3/60, опубл. 22.01.1991], что распределенные усилители могут быть использованы вплоть до частоты 1 ТГц, а ширина полосы усиливаемых частот ограничивается конструкционными возможностями. Однако бурное развитие распределенных усилителей сдерживают несколько факторов [Соколов Д.В., Трубецков Д.И. Микроэлектронный автоэмиссионный усилитель со скрещенными полями // Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 1, с. 136-138]: применение тонких металлических пленок существенно увеличивает ВЧ-потери, а относительно широкая и протяженная матрица микротриодов с небольшим расстоянием катод-сетка увеличивает входную емкость усилителя и значительно занижает верхнюю границу полосы рабочих частот.
Известны технические решения, позволяющие уменьшить влияние перечисленных негативных факторов.
Известен распределенный усилитель СВЧ-диапазона в котором предлагается выполнять анодно-сеточную и катодно-сеточную линию одинаковыми в виде периодической штыревой замедляющей системы, штыри которой выполняют роль анодов микроэлектронных триодов [Патент RU №2098882, МПК: H01J 21/20, H03F 3/60; опубл. 10.12.1997]. Такой подход позволяет снизить ВЧ-потери и улучшить теплоотвод от микроострий.
Недостатком такого решения является сужение рабочей полосы из-за того, что замедляющая система по типу близка к замедляющим системам типа цепочки связанных резонаторов, которые, как известно [Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие волноводы / М., «Советское радио», 1966, 632 с.], обладают выраженной дисперсией, что затрудняет получение широкой (от 1 октавы и более) полосы усиливаемых частот.
Известно техническое решение [McGruer N.E., Johnson А.С., McKnight S.W. Prospect for a 1 THz Vacuum Microelectronic Microstrip Amplifier // IEEE Trans, on Electron Devices, vol. 38, No. 3, March 1991], в котором предлагается вводить дополнительную металлическую плоскость между сеткой и анодом, находящуюся под потенциалом катода. Такая конструкция позволяет несколько повысить рабочую частоту усилителя в сравнении с [Кабанов И.Н. Расчет микровакуумных триодов на матричных автоэмиссионных катодах // 8-я международная конференция КрыМиКо, сентябрь 1998, с. 205-207].
Недостатком такого решения является заметное увеличение угла пролета электронов, что является физическим ограничением дальнейшего повышения рабочей частоты усилителя.
Технический результат заявляемого технического решения направлен на снижение массогабаритных показателей устройства и увеличение верхней границы рабочего диапазона частот.
Это достигается тем, что каскадный усилитель СВЧ включает в себя каскадное соединение нескольких одинаковых по длине усилительных секций, в котором выходная анодно-сеточная линия предыдущего каскада является входной катодно-сеточной линией последующего усилительного каскада и для каждой секции выполняется условие, что длина матрицы микротриодов значительно меньше длины волны входного СВЧ сигнала. При этом расстояние катод-сетка не равно расстоянию сетка анод, длина матрицы микротриодов последней усилительной секции соизмерима либо превышает длину волны выходного СВЧ сигнала, а внутренние полости заполнены диэлектриком, за исключением пространства катод-анод микротиродов.
Ток автоэлектронной эмиссии описывается соотношением Фаулера-Нордгейма [Фурсей Г.Н. Автоэлектронная эмиссия. / С-Пб, «Лань», 2012, 322 с.], благодаря чему микротриод на основе холодного автоэмиссионного микроострийного катода обладает достаточно большой крутизной. Однако ток, отбираемый с одного микроострия, весьма мал, так как увеличение его может привести к перегреву микроострия или взрывной эмиссии. Поэтому для получения приемлемого усиления в распределенных усилителях применяют матрицы микротриодов. Размеры матрицы напрямую определяют входную емкость усилителя.
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами.
На фиг. 1 схематично представлена конструкция заявляемого технического решения - каскадного усилителя. Входной СВЧ сигнал поступает во входной волновод 1, который, для уменьшения возможных отражений, плавно сужается и образует катодно-сеточную линию первого входного усилительного каскада. Поперечная компонента электрического поля входного СВЧ сигнала вызывает появление (увеличение - при наличии напряжения смещения на сетке) автоэмиссионного тока с микроострий 3. Этот ток, проходя через отверстия 2 в сетке, осаждается на анод 5, который является сеткой для второго каскада усиления, и вместе с сеткой первого (входного) каскада образует катодно-сеточную линию второго каскада усиления. Катодно-сеточные и анодно-сеточные линии представляют собой волноводы прямоугольного поперечного сечения (фиг. 1, сечение А-А). Расстояние от плоскости катода (следует понимать плоскость, на которой расположены микроострия) до плоскости сетки равно расстоянию от плоскости сетки до плоскости анода. Ток микроострий, осажденный на анод 5, согласно следствиям из леммы Лоренца [Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ / М., «Высшая школа», 1990, 335 с.], возбуждает в анодно-сеточной линии первого каскада усиления (она же катодно-сеточная линия второго каскада усиления) электромагнитные волны, бегущие как вправо, так и влево (в плоскости чертежа). Поперечная компонента возбужденного электрического поля вызывает появление (увеличение) автоэмиссионного тока с микроострий второго каскада усиления. Для остальных каскадов процесс аналогичен. В последнем каскаде автоэмиссионный ток микроострий возбуждает электромагнитные волны в анодно-сеточной линии, которая плавно расширяется и переходит в выходной волновод 6, с которого снимается усиленный СВЧ сигнал. Для устранения возможных отражений от концов анодно-сеточных и катодно-сеточных линий применены поглощающие покрытия и вставки 4, выполненные в виде плавных переходов для уменьшения коэффициента отражения.
В предлагаемом техническом решении продольные размеры матриц микротриодов значительно меньше длины волны СВЧ сигнала, что позволяет предположить, что все микротриоды находятся в одинаковой фазе электромагнитного поля СВЧ сигнала. Это означает, что работа этих микротриодов синхронна. Учитывая синхронность работы микротриодов и сравнительно малые размеры матрицы, можно утверждать, что автоэмиссионный ток возбуждает в анодно-сеточной линии электромагнитные волны одинаковой амплитуды, бегущие как вправо, так и влево (в плоскости чертежа). Это позволяет располагать матрицы микротриодов последующих каскадов усиления в шахматном порядке, что позволяет уменьшить продольные размеры усилителя. Предлагаемая конструкция позволяет добиться большей жесткости в сравнении, например, с [Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие волноводы / М., «Советское радио», 1966, 632 с.], где предлагаемая конструкция получается вытянутой в направлении распространения электромагнитной волны. Увеличенная жесткость конструкции позволяет снизить массу усилителя, так как корпус усилителя должен содержать меньшее число элементов, придающих прочность конструкции.
Диаметры отверстий 2 в сетке значительно меньше длины волны, соответствующей наиболее высокой рабочей частоте усилителя. Это исключает прямое проникновение СВЧ сигнала из катодно-сеточной линии в анодно-сеточную линию, что обеспечивает ВЧ-развязку между каскадами усиления. Это особенно важно для первого (входного) каскада, т.к. наличие ВЧ-развязки увеличивает входное сопротивление усилителя в целом и уменьшает входную емкость.
На фиг. 2 схематично представлена модифицированная конструкция заявляемого технического решения - каскадного усилителя, отличающаяся от конструкции, представленной на фиг. 1, тем, что расстояние от плоскости катода (следует понимать плоскость, на которой расположены микроострия) до плоскости сетки не равно расстоянию от плоскости сетки до плоскости анода. Для уменьшения ВЧ отражений переходы анодно-сеточной линии предыдущего каскада усиления в катодно-сеточную линию последующего каскада усиления сделаны плавными. Наличие плавных переходов несколько увеличивает продольные размеры усилителя. В остальном принципы функционирования устройств идентичны.
На фиг. 3 схематично представлена модифицированная конструкция заявляемого технического решения - каскадного усилителя, отличающаяся от конструкции, представленной на фиг. 1, тем, что длина последней усилительной секции соизмерима или больше длины волны усиливаемого СВЧ сигнала, т.е. выходная секция представляет собой классический распределенный усилитель.
На фиг. 4 схематично представлена модифицированная конструкция заявляемого технического решения - каскадного усилителя, отличающаяся от конструкции, представленной на фиг. 3, тем, что расстояние от плоскости катода (следует понимать плоскость, на которой расположены микроострия) до плоскости сетки не равно расстоянию от плоскости сетки до плоскости анода. Для уменьшения ВЧ отражений переходы анодно-сеточной линии предыдущего каскада усиления в катодно-сеточную линию последующего каскада усиления сделаны плавными. Наличие плавных переходов несколько увеличивает продольные размеры усилителя. В остальном принципы функционирования устройств идентичны.
На представленных чертежах для удобства восприятия изображены конструкции с несколькими каскадами усиления, однако число каскадов усиления зависит от требуемого коэффициента усиления и может быть произвольным. Сетка может быть изолирована от катода с помощью диэлектрика.
Технически заявленное устройство может быть реализовано с применением металлопленочных технологий и технологии выращивания углеродных нанотрубок, характерных для вакуумной автоэмиссионной микроэлектроники [Фурсей Г.Н. Автоэлектронная эмиссия. / С-Пб, «Лань», 2012, 322 с.].
Источники информации
1. Ginston E.L., Hewlett W.R., Jasberg J.H. Distributed amplification // Proc. IRE. 1948. V. 36. P. 956.
2. Кабанов И.Н. Расчет микровакуумных триодов на матричных автоэмиссионных катодах // 8-я международная конференция КрыМиКо, сентябрь 1998, с. 205-207.
3. Патент США US4987377 А, МПК: H01J 3/02; H03F 1/18; H03F 3/60; (IPC1-7): H03F 3/60, опубл. 22.01.1991.
4. Соколов Д.В., Трубецков Д.И. Микроэлектронный автоэмиссионный усилитель со скрещенными полями // Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 1, С. 136-138.
5. Патент RU №2098882, МПК: H01J 21/20, H03F 3/60; опубл. 10.12.1997.
6. Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие волноводы / М., «Советское радио», 1966, 632 с.
7. McGruer N.E., Johnson А.С., McKnight S.W. Prospect for a 1 THz Vacuum Microelectronic Microstrip Amplifier // IEEE Trans, on Electron Devices, vol. 38, No. 3, March 1991.
8. Фурсей Г.Н. Автоэлектронная эмиссия. / С-Пб, «Лань», 2012, 322 с.
9. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ / М., «Высшая школа», 1990, 335 с.