Фазированный матричный источник электромагнитного излучения
Изобретение относится к источникам электромагнитного излучения, точнее, к фазированному матричному источнику электромагнитного излучения. Устройство содержит анод и катод, разделенные анодно-катодным пространством, и электрические контакты для приложения постоянного напряжения между анодом и катодом. По меньшей мере, один магнит размещен для создания в катодно-анодном пространстве постоянного магнитного поля, направленного по существу по нормали к электрическому полю. Имеется множество волноводов в пределах анода, имеющих отверстия анодно-катодного пространства, сформированных вдоль поверхности анода, и определяющих анодно-катодное пространство, в результате чего электроны, испускаемые из катода, под воздействием электрического и магнитного полей проходят по траектории в анодно-катодном пространстве и проходят в непосредственной близости от отверстий. Общий резонатор принимает электромагнитное излучение, индуцированное в отверстиях в результате прохождения электронов в непосредственной близости к отверстиям, и отражает электромагнитное излучение назад к отверстиям для создания осциллирующих электрических полей в каждом из отверстий на требуемой рабочей частоте. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 12 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к источникам электромагнитного излучения и, более конкретно, к фазированному матричному источнику электромагнитного излучения.
Уровень техники
Магнетроны хорошо известны в технике. Магнетроны долго служили в качестве высокоэффективных источников микроволновой энергии. Например, магнетроны широко используются в микроволновых печах для генерации достаточной микроволновой энергии для нагревания и приготовления различных пищевых продуктов. Использование магнетронов желательно благодаря тому, что они работают с высокой эффективностью, что, тем самым, позволяет избежать высоких затрат, связанных с избыточным потреблением мощности, рассеянием тепла и т.д.
Микроволновые магнетроны используют постоянное магнитное поле для генерации вращающегося электронного пространственного заряда. Пространственный заряд взаимодействует с множеством микроволновых резонансных полостей, генерируя микроволновое излучение. Прежде магнетроны в основном ограничивались максимальными рабочими частотами приблизительно ниже 100 гигагерц (ГГц). Работа на более высоких частотах раньше практически не рассматривалась по многим причинам. Например, для того чтобы масштабировать магнетрон до очень малых размеров, могли бы потребоваться магнитные поля чрезвычайно высокой напряженности. Кроме того, имелась бы значительная трудность в изготовлении весьма малых микроволновых резонаторов. Указанные проблемы делали появление магнетронов с более высокими частотами маловероятным и практически неприемлемым.
Недавно заявитель настоящего изобретения разработал магнетрон, который подходит для работы на частотах, на которых работа с известными магнетронами до сих пор была невозможной. Указанный высокочастотный магнетрон способен генерировать электромагнитную энергию высокой мощности с высокой эффективностью на частотах в инфракрасной области и области видимого света, вплоть до частот более высокочастотных диапазонов, таких как ультрафиолетовый, рентгеновский и т.д. В результате магнетрон может служить в качестве источника света в различных применениях, таких как дальняя оптическая связь, коммерческое и производственное освещение, производство и т.д. Указанный магнетрон подробно описан в совместно поданных патентных заявках США № 09/584687 от 1 июня 2000 и № 09/798623 от 1 марта 2001, раскрытие которых полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.
Указанный высокочастотный магнетрон является очень выгодным, так как не требует чрезвычайно сильных магнитных полей. Вместо этого магнетрон предпочтительно использует магнитное поле более умеренной напряженности, и, более предпочтительно, используется магнитное поле постоянных магнитов. Напряженность магнитного поля определяет радиус вращения и угловую скорость электронного пространственного заряда в области взаимодействия между катодом и анодом (упоминаемой здесь как анодно-катодное пространство). Анод содержит множество малых резонаторов, размеры которых соответствуют рабочей длине волны. Обеспечивается механизм для обеспечения работы резонаторов в режиме, известном как π-мода. В частности, каждый резонатор формирует колебания со сдвигом по фазе, составляющим π радиан, причем такие резонаторы являются непосредственно смежными. Для вывода оптического излучения из резонаторов для получения на выходе полезной выходной мощности предусматривается выходной ответвитель или матрица ответвителей.
Тем не менее, в уровне техники существует настоятельная потребность в дальнейшем развитии высокочастотных источников электромагнитного излучения. Например, имеется потребность в приборе с малыми потерями и, следовательно, с повышенной эффективностью. Более конкретно, имеется потребность в приборе без использования множества резонаторов. Такой прибор обеспечил бы большую гибкость проектирования. Более того, такой прибор был бы особенно подходящим для генерации электромагнитного излучения на очень коротких длинах волн.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению заявлен фазированный матричный источник электромагнитного излучения (упоминаемый здесь как "блок фазирования" или "фазер"). Фазер преобразует электрическую энергию постоянного тока (dc) в одночастотное электромагнитное излучение. Его рабочая длина волны может находиться в микроволновой или в инфракрасной области, или в области видимого света, или даже в области более коротких длин волн.
В иллюстративных вариантах воплощения фазер содержит матрицу фазирующих контуров и/или встречно-штыревых электродов, которые расположены по окружности пространства взаимодействия электронов. В процессе функционирования осциллирующие электрические поля появляются в зазорах между смежными фазирующими контурами/встречно-штыревыми электродами в матрице. Электрические поля сходятся в точку в противоположных направлениях в смежных зазорах, обеспечивая тем самым так называемые поля π-моды, которые необходимы для эффективного функционирования магнетрона.
Электронное облако вращается относительно оси симметрии в пределах пространства взаимодействия. Поскольку облако вращается, распределение электронов становится сгруппированным на его внешней поверхности, образуя спицы электронного заряда, которые напоминают зубцы на шестерне. Рабочая частота фазера определяется тем, насколько быстро спицы проходят от одного зазора до следующего в одной половине периода колебания. Вращательная скорость электрона определяется прежде всего напряженностью постоянного магнитного поля и электрического поля, которые прикладываются к области взаимодействия. Для очень высокой рабочей частоты фазирующие контура/встречно-штыревые электроды пространственно располагаются очень близко для обеспечения большого числа прохождений зазора в секунду.
Согласно одному конкретному аспекту изобретения, заявлен источник электромагнитного излучения. Источник содержит анод и катод, разделенные анодно-катодным пространством. Для приложения напряжения постоянного тока между анодом и катодом, а также для создания электрического поля в анодно-катодном пространстве предусмотрены электрические контакты. Установлен, по меньшей мере, один магнит для обеспечения магнитного поля постоянного тока в анодно-катодном пространстве, по существу нормально к электрическому полю. Сформировано множество отверстий вдоль поверхности анода, которые задают анодно-катодное пространство, при этом на электроны, испускаемые из катода, воздействуют электрические и магнитные поля, чтобы электроны двигались по пути через анодно-катодное пространство и проходили в непосредственной близости от отверстий. Источник дополнительно содержит общий резонатор, который принимает электромагнитное излучение, индуцированное в отверстиях, как результат прохождения электронов в непосредственной близости от отверстий, и который отражает электромагнитное излучение обратно к отверстиям и создает осциллирующие электрические поля через каждое из отверстий на требуемой рабочей частоте.
Согласно другому аспекту изобретения заявлен источник электромагнитного излучения, содержащий анод и катод, разделенные анодно-катодным пространством. Источник дополнительно содержит электрические контакты для приложения напряжения постоянного тока между анодом и катодом, а также для создания электрического поля в анодно-катодном пространстве. Кроме того, источник содержит, по меньшей мере, один магнит, обеспечивающий магнитное поле постоянного тока в анодно-ктодном пространстве, по существу нормально к электрическому полю, а также матрицу, содержащую N штыревых электродов, формирующих, по меньшей мере, часть анода и размещенных таким образом, чтобы определять анодно-катодное пространство. Кроме того, источник содержит, по меньшей мере, один общий резонатор в непосредственной близости от электродов. Электроды пространственно разнесены с отверстиями между ними, и на электроны, испускаемые из катода, воздействуют электрические и магнитные поля для обеспечения их прохождения по пути в анодно-ктодном пространстве и в непосредственной близости от отверстий для установления резонансного электромагнитного поля в общем резонаторе.
Для достижения вышеупомянутых и других целей изобретение содержит признаки, полностью описанные ниже и включенные в формулу изобретения. Последующее описание и приложенные чертежи подробно излагают некоторые иллюстративные варианты воплощения изобретения. Упомянутые варианты воплощения являются характерными, однако представляют лишь некоторые из различных путей, которыми можно реализовать принципы изобретения. Другие цели, преимущества и новые признаки изобретения поясняются в последующем подробном описании настоящего изобретения со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется ниже описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - общий вид фазированного матричного источника электромагнитного излучения (фазера) как части оптической системы связи, согласно настоящему изобретению,
фиг. 2 - поперечное сечение фазера, содержащего фазирующие контура согласно варианту воплощения настоящего изобретения,
фиг. 3 - вид сверху поперечного сечения фазера по фиг. 2 по линии 3-3, согласно настоящему изобретению,
фиг. 4а и 4б - общий вид четных и нечетных клиньев, соответственно, которые подходят для формирования анодной структуры для фазера по фиг. 2, согласно настоящему изобретению,
фиг. 5 - поперечное сечение фазера с встречно-штыревыми электродами и широкой конструкцией анода, согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения,
фиг. 6 - вид сверху поперечного сечения области взаимодействия фазера по фиг. 5 по линии 6-6, согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения,
фиг. 7 - схематичный вид области взаимодействия фазера по фиг. 5, согласно настоящему изобретению,
фиг. 8 - поперечное сечение фазера с встречно-штыревыми электродами и узкой конструкцией анода, согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения,
фиг. 9 - вид сверху поперечного сечения области взаимодействия фазера по фиг. 8 по линии 9-9, согласно настоящему изобретению,
фиг. 10 - схематичный вид спереди области взаимодействия фазера по фиг. 8, согласно настоящему изобретению,
фиг. 11 - схематичный вид спереди альтернативного варианта воплощения конфигурации анода, согласно настоящему изобретению, и
фиг. 12 - поперечное сечение фазера с плавающими встречно-штыревыми электродами, согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения
На фиг. 1 изображена высокочастотная система 20 связи. Согласно настоящему изобретению система 20 связи содержит фазированный матричный источник 22 электромагнитного излучения (фазер). Фазер 22 служит в качестве высокоэффективного источника высокочастотного электромагнитного излучения. Такое излучение может находиться в микроволновой или в инфракрасной области, или в области видимого света, или даже в области более коротких длин волн. На выходе фазера 22 может формироваться оптическое излучение, используемое для оптической передачи информации от одной точки на местности до другой. Хотя фазер 22 описан здесь в контексте использования в оптической системе 20 связи, должно быть понятно, что фазер имеет полезные применения в разнообразных других прикладных задачах. Настоящее изобретение предусматривает любое или все указанные применения.
Как показано на фиг. 1, фазер 22 служит для вывода оптического излучения 24, такого как, например, когерентное оптическое излучение в инфракрасной, ультрафиолетовой или видимой областях. Оптическое излучение предпочтительно представляет собой излучение, которое имеет длину волны, соответствующую частоте 100 ГГц и выше. В более конкретном варианте воплощения фазер 22 выдает оптическое излучение, имеющее длину волны в диапазоне приблизительно от 10 микрон до 0,5 микрон. Согласно еще одному конкретному варианту воплощения, фазер 22 выдает оптическое излучение, имеющее длину волны в диапазоне приблизительно от 3,5 микрон до 1,5 микрон. Однако должно быть понятно, что фазер 22 имеет применение даже на частотах существенно меньше 100 ГГц.
Оптическое излучение 24, формируемое фазером 22, проходит через модулятор 26, который обеспечивает модуляцию излучения 24, используя известные методы. Например, модулятор 26 может быть оптическим затвором, который управляется компьютером на основе передаваемых данных. Излучение 24 селективно передается модулятором 26 в качестве модулированного излучения 28. Приемное устройство 30 принимает и по существу демодулирует модулированное излучение 28, чтобы получить переданные данные.
Система связи 20 дополнительно содержит источник 32 питания для обеспечения рабочего напряжения постоянного тока для фазера 22. Как описано более подробно ниже, фазер 22 функционирует при подаче между катодом и анодом постоянного напряжения. В иллюстративном варианте воплощения рабочее напряжение составляет порядка от 1 киловольта (кВ) до 4 кВ. Однако понятно, что также возможны другие рабочие напряжения.
На фиг. 2 и 3 изображен первый вариант воплощения фазера 22. Фазер 22 содержит катод 40 цилиндрической формы, имеющий радиус rc. На соответствующих концах катода имеются заглушки 41. Катод 40 заключен в полом цилиндрическом аноде 42, анод центрирован относительно оси А коаксиально с катодом 40. Анод имеет внутренний радиус ra, который больше, чем rc, для определения области взаимодействия электронов или анодно-катодное пространство 44 между внешней поверхностью 48 катода 40 и внутренней поверхностью 50 анода 42.
Выводы 52 и 54 соответственно проходят через изолятор 55 и электрически подсоединены к катоду 40, чтобы подводить мощность для подогревания катода 40, а также, чтобы подавать отрицательное (-) высокое напряжение на катод 40. Анод 42 электрически подсоединен к положительному (+) или земляному выводу подачи высокого напряжения через вывод 56. В процессе функционирования источник 32 питания (фиг. 1) подает ток подогревателя на катод 40 и от него через выводы 52 и 54. Одновременно, источник 32 питания прикладывает напряжение постоянного тока к катоду 40 и аноду 42 через выводы 54 и 56. Постоянное напряжение создает постоянное электрическое поле E, которое проходит радиально между катодом 40 и анодом 42 по всему анодно-катодному пространству 44.
Фазер 22 дополнительно содержит пару магнитов 58 и 60, расположенных на соответствующих торцах анода 42. Магниты 58 и 60 выполнены с возможностью создания постоянного магнитного поля B в осевом направлении, которое является нормальным к электрическому полю E в анодно-катодном пространстве 44. Как показано на фиг. 3, магнитное поле B входит в плоскость чертежа в анодно-катодном пространстве 44. Магниты 58 и 60 в иллюстративном варианте воплощения представляют собой постоянные магниты, которые создают магнитное поле B, например, порядка 2 килогаусс. Понятно, что вместо упомянутого можно использовать другое средство для создания магнитного поля (например, электромагнит). Однако если желательно, чтобы фазер 22 обеспечил, например, некоторую степень портативности, предпочтительно использовать один или несколько постоянных магнитов 58 и 60.
Скрещивающиеся магнитное поле B и электрическое поле E воздействуют на электроны, испускаемые из катода 40 так, что электроны двигаются в анодно-катодном пространстве 44 по искривленным траекториям. При достаточно сильном постоянном магнитном поле B электроны не будут достигать анода 42, а вместо этого будут возвращаться к катоду 40.
Анод 42 формирует четную матрицу прямых одномодовых волноводов 59a и 59b (представленных на разрезе фиг. 3). Волноводы 59a и 59b функционируют как соответствующие фазирующие контура и имеют размеры, которые выбираются с использованием общеизвестных методов, чтобы волноводы работали в одномодовом режиме на требуемой рабочей длине волны λ. Волноводы 59a и 59b проходят радиально (относительно оси A) от анодно-катодного пространства 44 через тело анода 42 к общей резонаторной полости 66. В частности, каждый из волноводов 59a и 59b содержит открытый выход на внутреннюю поверхность 50 анода 42 в анодно-катодном пространстве 44. На внешней поверхности 68 анода 42 волноводы 59a и 59b выходят в общую резонансную полость 66. Отверстия волноводов 59a и 59b расположены равномерно и поочередно разнесены по окружности вдоль внутренней и внешней поверхностей анода 42. Промежуток между отверстиями на внутренней поверхности 50 обозначен Gp.
Как представлено на фиг. 2 и 3, волноводы 59a (номинально упоминаемые здесь как четные волноводы) являются относительно узкими волноводами по сравнению с волноводами 59b (номинально упоминаемыми здесь как нечетные волноводы). Ширина волноводов выбирается так, что нечетные пронумерованные волноводы 59b имеют ширину Wb, которая больше, чем ширина Wa четных волноводов 59a, чтобы обеспечить дополнительную 1/2-λ фазовую задержку по сравнению с четными волноводами 59a на рабочей длине волны λ. В иллюстративном варианте воплощения четыре четных волновода 59a расположены бок о бок в осевом направлении по оси A, и три более широких нечетных волновода 59b расположены аналогично. Следует отметить, однако, что конкретное число волноводов, расположенных в осевом направлении, является предметом выбора и может быть различным в зависимости от требуемой выходной мощности, и т.д.
Общая резонансная полость 66 сформирована вокруг внешней окружности анода 42 и определяется внешней поверхностью 68 анода 42 и полостью, определяемой стенкой 70, сформированной в пределах структуры 72 резонансной полости. Стенка 70 изогнута и формирует резонансную полость 66 тороидальной формы. Радиус искривления стенки 70 находится в пределах от 2,0 см до 2,0 м в зависимости от рабочей частоты.
Как показано на фиг. 2 и 3, структура 72 резонансной полости формирует цилиндрическую трубку, которая размещается вокруг анода 42. Резонансная полость 66 расположена соосно по отношению к внешним отверстиям соответствующих волноводов 59a и 59b. Резонансная полость 66 служит для ограничения осцилляций в соответствующих волноводах 59a и 59b, для обеспечения работы в π-моде, как подробно описано ниже.
Кроме того, структура 72 резонансной полости может обеспечивать конструктивную опору и/или действовать в качестве главного корпуса устройства 22. Структура 72 резонансной полости также облегчает охлаждение анода 42 в случае высокотемпературного режима работы.
Общая резонансная полость 66 содержит, по меньшей мере, один или несколько выходных портов 74, которые служат для вывода энергии из резонансной полости 66 наружу через прозрачное выходное окно 76 в качестве выходного оптического излучения 24. Выходной порт(-ы) 74 сформирован отверстиями или щелями в стенке структуры 72 резонансной полости.
Структура, показанная на фиг. 2 и 3, вместе с другими описанными вариантами воплощения, предпочтительно выполнена так, что анодно-катодное пространство 44 и резонансная полость 66 находятся в вакууме. Тем самым предотвращается попадание в устройство пыли или загрязнений, которые нарушают его работу.
Резонансная полость 66 конструируется с использованием общеизвестных методов для получения разрешенной моды на требуемой рабочей частоте (т.е. на требуемой рабочей длине волны λ). Такие методы известны, например, в технике оптических резонаторов, традиционно используемых при работе с лазерными устройствами. В иллюстративных вариантах воплощения волноводы 59a и 59b являются клиновидными волноводами. Волноводы 59a и 59b сконструированы с возможностью отсечки частот, соответствующих всем возможным резонансным модам резонансной полости 66 ниже требуемой рабочей частоты. Кроме того, размеры волноводов 59a и 59b выбраны так, чтобы обеспечить вышеупомянутую относительную разность фаз, соответствующую 1/2 длины волны на рабочей частоте, и только на этой частоте.
Промежуток Gp между отверстиями смежных волноводов на внутренней поверхности анода 50 выбран для оптимизации усиления на требуемой рабочей длине волны и подавления колебаний на более высоких частотах. В результате вращающееся электронное облако, сформированное в анодно-катодном пространстве 44, взаимодействует с электрическими полями π-моды во внутренней анодной поверхности 50, и возникают осцилляции π-моды.
Более конкретно, в процессе функционирования на катод 40 и анод 42 подается электропитание. Электроны испускаются из катода 40, следуют по вышеупомянутым изогнутым траекториям в анодно-ктодном пространстве 44 и проходят в непосредственной близости от отверстий волноводов 59a и 59b. В результате электромагнитное поле индуцируется в волноводах 59a и 59b. Электромагнитное излучение, в свою очередь, проходит через волноводы 59a и 59b и входит в общую резонансную полость 66. Электромагнитное излучение в полости 66 начинает резонировать и, в свою очередь, частично ответвляется назад через волноводы 59a и 59b к катодно-анодному пространству 44.
В результате электроны, испускаемые из катода 40, стремятся сформировать вращающееся электронное облако в анодно-катодном пространстве 44. В зазорах между отверстиями волноводов 59a и 59b на внутренней поверхности 50 анода 42 появляются осциллирующие электрические поля. Поскольку волноводы 59a и 59b сдвинуты по фазе на λ/2, электрические поля между зазорами ограничены для ориентации в противоположных направлениях относительно соседних зазоров. Таким образом, обеспечиваются так называемые поля "π-мод", необходимые для эффективного функционирования в режиме магнетрона.
Электронное облако вращается относительно оси в анодно-ктодном пространстве 44. По мере вращения облака электронное распределение становится сгруппированным на его внешней поверхности, формируя спицы электронного заряда, которые подобны зубцам на шестерне. Рабочая длина волны (равная λ) фазера 22 определяется тем, как быстро спицы проходят от одного зазора до следующего за одну половину периода осцилляции. Вращательная скорость электрона определяется, прежде всего, напряженностью постоянного магнитного поля, а также электрического поля, которые приложены к катодно-анодной области 44. Для функционирования на очень высоких частотах фазирующие контура, сформированные волноводами 59a и 59b, размещаются очень близко, чтобы обеспечить возможность прохождения большого количества щелей в секунду.
Общее количество N волноводов 59a и 59b в аноде 42 выбирается так, что электроны, перемещающиеся в анодно-катодном пространстве 44, предпочтительно перемещаются существенно медленнее, чем скорость света c (например, приблизительно со скоростью порядка 0,1c-0,3c). Предпочтительно, длина окружности 2πra внутренней поверхности 50 анода больше, чем λ, где λ представляет длину волны рабочей частоты. Как отмечено выше, волноводы 59a и 59b равномерно распределены по внутренней окружности анода 42, а их общее количество N выбрано четным, чтобы обеспечить работу в режиме π-моды.
В описанном выше варианте воплощения по фиг. 2 и фиг. 3, волноводы 59a и 59b ориентированы так, что их соответствующие E-поскости перпендикулярны к оси A. Волноводы 59a и 59b являются прямыми клиновидными волноводами, хотя следует отметить, что волноводы могут быть не клиновидными. Кроме того, разница в фазовой длине между соответствующими волноводами может быть реализована другими методами, например, обеспечением изогнутых волноводов 59b в аноде 42, по отношению к формированию более широких волноводов.
Иллюстративные размеры анода 42 в варианте воплощения, имеющем не клиновидные волноводы 59a и 59b, следующие:
Рабочая частота: 36,4 ГГц (λ = 8,24 мм = 0,324")
Внутренний радиус ra: 4,5 мм = 0,177"
Внешний радиус: 24,04 мм = 0,9465"
Волновод 59a: 0,254 мм x 5,32 мм (0,010" x 0,209")
Волновод 59b: 0,254 мм x 7,67 мм (0,010" x 0,302")
Число волноводов на заданной окружности: 148
С точки зрения производства катод 40 фазера 22 может быть выполнен из различных электропроводных металлов. Катод 40 может быть твердотельным или же просто покрытым электропроводящим и эмиссионным материалом, например, таким как никель, окись бария или окись стронция, или может быть изготовлен из спирали, навитой, например, из торированной вольфрамовой нити накала. Альтернативно, также может использоваться катод 40 холодной эмиссии под действием поля, выполненный из микроструктур типа углеродных нанотрубок.
Анод 42 выполняется из электропроводящего металла и/или непроводящего материала, покрытого проводящим слоем, типа меди, золота, алюминия или серебра. Структура 72 резонансной полости 72 может быть электропроводной, а может быть и неэлектропроводной, за исключением стенок резонансной полости 66 и выходного порта(-ов) 74, которые или покрыты металлом, или выполнены с нанесением электропроводного материала типа меди, золота или серебра. Анод 42 и структура 72 резонансной полости 72 могут быть выполнены по отдельности или как одна составная часть.
Фиг. 4a и 4б иллюстрируют клинья, которые могут использоваться для выполнения анода 42 в одном варианте воплощения изобретения. Как описано в вышеупомянутой заявке № 09/798623, анод, подобный аноду 42, может быть сформирован множеством клиньев наподобие пирога. Аналогично, анод 42 может быть сформирован комбинацией клиньев 80a и 80b, как показано на фиг. 4a и 4б, соответственно.
Например, внутренняя поверхность 50 анода 42 может содержать множество N волноводных отверстий, разнесенных вдоль окружности на заданную осевую точку вдоль оси A. Число N и размеры отверстий зависят от требуемой рабочей длины волны λ, как описано выше. Анод 42 сформирован множеством N клиновидных элементов 80a и 80b, как упомянуто выше, в общем случае, как клинья 80. При упаковке их бок о бок клинья 80 формируют структуру анода 42.
Фиг. 4a и 4б представляют виды в перспективе клиновидных элементов 80a и 80b. Каждый клин 80 имеет угловую ширину φ, равную (2π/N) радиан, и внутренний радиус ra, равный внутреннему радиусу ra анода 42. Внешний радиус ro клина 80 соответствует внешнему радиусу ro анода 42 (т.е., радиальному расстоянию до внешней поверхности 68). Передняя сторона каждого клина 80a образует его основание, а боковые стороны - четные волноводы 59a. Аналогично, передняя сторона каждого клина 80b образует его основание, а боковые стороны - нечетные волноводы 59b.
Общее количество N/2 клиньев 80a и N/2 клиньев 80b собирается вместе, бок о бок, с чередованием для формирования полного анода 42, как показано на фиг. 3. Задняя сторона каждого клина 80, таким образом, служит в качестве верхней поверхности волновода, образованного в смежном клине 80.
Клинья 80 могут быть изготовлены из различных типов электропроводных материалов, таких как медь, алюминий, латунь, и т.д., с металлизацией (например, золотом), если требуется. Альтернативно, клинья 80 могут быть изготовлены из материала, не обладающего электропроводностью, который покрыт электропроводящим материалом, по меньшей мере, в тех областях, в которых выполнены волноводы 59a и 59b.
Клинья 80 могут быть изготовлены с использованием любого известного метода изготовления или производства. Например, клинья 80 могут быть изготовлены с использованием прецизионного фрезерного станка. Альтернативно, для формирования клиньев может использоваться лазерная резка и/или лазерное фрезерование. В качестве другой альтернативы, для формирования клиньев могут использоваться литографические методы. Использование таких клиньев позволяет осуществить прецизионное управление соответствующими размерами, как это необходимо.
После того как клинья 80 сформированы, они размещаются в надлежащем порядке (т.е. четный-нечетный-четный-нечетный и т.д.), чтобы сформировать анод 42. Клинья 80 могут удерживаться на месте посредством соответствующего зажимного приспособления, а также с использованием пайки или связываются вместе иным способом, чтобы сформировать интегральный модуль.
Фиг. 5 и 6 иллюстрируют другой вариант воплощения фазера 22, имеющий отличающуюся анодную структуру. Более конкретно, фазирующие контура, сформированные волноводами 59a и 59b в предыдущем варианте воплощения, заменены встречно-штыревыми электродами. Встречно-штыревые электроды позволяют реализовать очень малое разнесение электрода, независимо от рабочей длины волны λ. Поскольку соответствующие описанные варианты воплощения во многом сходны, ради краткости ниже описаны только их существенные различия.
Как показано на фиг. 5 и 6, фазер 22 содержит постоянные магниты 58 и 60 для обеспечения скрещенного магнитного поля B. Установленный концентрически относительно оси на каждом из магнитов 58 и 60 соответствующий цилиндрический полюсный наконечник 90 изготовлен из железа или подобного ему материала. Каждый из полюсных наконечников 90 содержит ровное плакирование 92, обладающее высокой электропроводностью, выполненное из серебра или подобного ему металла. Полюсные наконечники 90 являются в основном симметричными и обращены друг к другу, как показано на фиг. 5 и 6. Ширина W полюсных наконечников 90 и соответствующего плакирования 92 определяет относительно широкое анодно-катодное пространство 44 между ними.
В иллюстративном варианте воплощения каждый полюсный наконечник 90 содержит множество электродов 96, равноразнесенных по окружности круга с радиусом rcb от оси A. Каждый электрод 96 в иллюстративном варианте воплощения сформирован электропроводящим штырем, изготовленным из серебра, меди или подобного материала. Электроды 96 могут иметь, например, круглое или квадратное сечение. Электроды 96 имеют длину 1/4λ, где λ - длина волны на требуемой рабочей частоте. Электроды 96 механически связаны и проходят от основания соответствующего полюсного наконечника 90 параллельно оси A. Кроме того, электроды 96 от каждого полюсного наконечника 90 электрически подсоединены к полюсному наконечнику 90 в данном варианте воплощения, так что находятся на том же электрическом потенциале, что и соответствующий полюсный наконечник 90. Кроме того, электроды 96, исходящие от верхнего полюсного наконечника 90, расположены встречно-штыревым образом с электродами 96, исходящими от нижнего полюсного наконечника 90, как показано на фиг. 5. В результате, в анодно-катодном пространстве 44, определенном между соответствующими полюсными наконечниками 90, относительно катода 40 сформирована цилиндрическая "клетка". Смежные электроды 96 от различных полюсных наконечников, таким образом, разделены друг от друга промежутком, представленным Gp, как показано на фиг. 7. Следует отметить, что число электродов 96, показанных на чертежах, для простоты иллюстрации уменьшено.
Согласно вариантам воплощений по фиг. 5-7, радиальное расстояние от электродов 96 до внешних краев полюсных наконечников 90 (включая плакирование 92) составляет λ/2, например (фиг. 7). Разнесение S между противолежащими сторонами 98 полюсных наконечников 90 незначительно больше, чем λ/4 (чтобы избежать контакта электрода с противолежащим полюсным наконечником 90). В результате, противолежащие стороны 98 полюсных наконечников 90 формируют волноводную или образованную параллельными плоскостями линию передачи, длина которой вдоль радиального направления равна λ/2, которая начинается на краю цилиндрической клетки, сформированной электродами 96, и открывается в общую резонансную полость 66.
Катод 40 проходит вдоль оси (например, через нижний магнит 60 и полюсный наконечник 90) центрированно в пределах клетки, сформированной встречно-штыревыми электродами 96. Как и в предыдущих вариантах воплощения, выводы 52 и 54, соответственно, проходят через изолятор 55 и электрически связаны с катодом 40 для подачи мощности нагрева катода 40, а также для подвода отрицательного (-) высокого напряжения на катод 40. Соответствующие полюсные наконечники 90 в данном варианте воплощения электрически связаны с положительным (+) или земляным выводом источника высокого напряжения через вывод 56. В процессе функционирования, источник 32 электропитания (фиг. 1) подает ток нагрева, текущий к катоду 40 и от него через выводы 52 и 54. Одновременно, источник 32 электропитания подает постоянное напряжение на катод 40 и анод 42 через выводы 54 и 56. Постоянное напряжение создает постоянное электрическое поле E, проходящее радиально между катодом 40 и электродами 96 во всем анодно-катодном пространстве 44.
Электроны, испускаемые катодом 40, следуют по вышеупомянутым изогнутым траекториям в ортогональном поле E и поле В в анодно-катодном пространстве 44. Электроны проходят в непосредственной близости от электродов 96 и индуцируют противоположный заряд на смежных электродах 96, как представлено на фиг. 7. Индуцированные заряды индуцируют электромагнитный сигнал, который излучается вовне между противолежащими сторонами 98 полюсных наконечников 90 в резонансную полость 66. Излучаемый электромагнитный сигнал отражается резонансной полостью 66 назад в анодно-катодное пространство 44 для усиления переменного заряда, индуцируемого на смежных электродах 96.
Таким образом, энергия в фазере 22 начинает осциллировать на требуемой рабочей частоте во взаимосвязи с электронным облаком, которое формируется и вращается в анодно-катодном пространстве 44. Между прямыми и изогнутыми поверхностями тороидальной резонансной полости 66 формируются электромагнитные поля стоячих волн. Часть указанных полей проходит внутрь между противолежащими сторонами 98 полюсных наконечников 90 к встречно-штыревым электродам 96. В конкретный момент времени в течение цикла осцилляции поля стоячей волны вызывают отрицательный заряд стороны 98 и электродов 96 верхнего полюсного наконечника 90, и в это же время сторона 98 и электроды 96 нижней части полюсного наконечника 90 заряжаются положительно.
Результирующий изменяющийся положительный и отрицательный заряд встречно-штыревых электродов 96 обуславливает возникновение в зазорах между электродами 96 горизонтальных электрических полей Eh, как представлено на фиг. 7. При изменении во времени направления вектора поля стоячей волны в течение цикла осцилляции сторона 98 и электроды 96 верхнего полюсного наконечника 90 становятся положительно заряженными, в то время как сторона 98 и электроды 96 нижнего полюсного наконечника 90 становятся отрицательно заряженными. Таким образом, горизонтальные электрические поля Eh между электродами 96 изменяются по направлению в течение каждого цикла. Указанные горизонтальные электрические поля Eh, таким образом, становятся полями π-моды, взаимодействующими с вращающимся электронным облаком в анодно-катодном пространстве для генерации колебаний в фазере 22.
В варианте воплощения согласно фиг. 5-7 использованы следующие размеры и характеристики фазера 22:
Требуемая рабочая частота: 10 ГГц
Диаметр полюсных наконечников 90 (включая плакирование 92): 3,9 см
Длина Lc резонансной полости 66: 8,86 см
Ширина Wc резонансной полости 66: 10,6 см
Длина электрода 96 (штыря): 1/4 λ
Число электродов 96: 40 (20 на верхнем полюсном наконечнике; 20 на нижнем полюсном наконечнике)
Диаметр электродов 96: 0,020 дюйма
Разнесение между электродами 96 (зазор Gp): 0,010 дюйма.
Фиг. 8-10 иллюстрируют другой вариант воплощения фазера 22. Указанный вариант воплощения подобен вариантам воплощения по фиг. 5-7, за исключением того, что широкая анодная структура 42 заменена узкой анодной структурой 42. Более конкретно, диаметр полюсных наконечников 90 (включая плакирование 92) только незначительно больше, чем диаметр (2xrcb) круга, сформированного электродами 96. Функционирование данного варианта подобно описанному выше для варианта воплощения по фиг. 5-7. Однако в указанном варианте воплощения поля стоячих волн в резонансной полости 66 прикладываются непосредственно к встречно-штыревым электродам 96. В данном случае нет никакой эффективной волноводной или образованной параллельными плоскостями линии передачи длиной λ/2 между "клеткой", сформированной электродами 96 и отверстием к резонансной полости 66.
Вариант воплощения с узким анодом по фиг. 8-10, в частности, полезен для конструирования фазера 22, предназначенного для работы на очень коротких длинах волн. Указанная конструкция с узким анодом облегчает формирование множества "клеток" встречно-шыревых электродов 96, уложенных друг над другом вдоль оси A. Таким образом, даже если длина штыревых электродов 96 клетки станет очень короткой, например, при работе на инфракрасных и оптических длинах волн, уложенные одна над другой клетки обеспечивают большую область поверхности взаимодействия в анодно-катодном пространстве 44.
На фиг. 11 показан дополнительный вариант воплощения анода 42 в соответствии с настоящим изобретением. Анод 42 содержит полую цилиндрическую трубку 110 из стекла или диэлектрического материала другого типа. Встречно-штыревые электроды 96 выполнены как металлизированные структуры на внутренней поверхности трубки 110. Таким образом, для формирования прецизионных встречно-шыревых электродов 96 могут использоваться простые методы литографии, обычно используемые при изготовлении полупроводниковых устройств. Затем трубка 110 размещается вдоль оси фазера 22 вокруг катода 40; она расположена между магнитами 58 и 60, как представлено в других вариантах воплощений. Каждый из встречно-штыревых электродов 96 подсоединен к земле или положительному постоянному напряжению через соответствующие верхнее и нижнее проводящие кольца 112 и 114, также выполненные на поверхности трубки 110 вместе с встречно-штыревыми электродами 96. Трубка 110 служит в качестве несущей подложки для электродов 96, сформированных на ней, в частности, на более коротких длинах волн, когда электроды 96 имеют весьма малые размеры.
Кроме того, трубка 110 может служить в качестве внешней вакуумной оболочки. Снаружи трубки 110 фазер 22 (например, резонансная полость 66) может быть заполнен воздухом. Встречно-шыревые электроды 96, сформированные на внутренней поверхности трубки 110, находятся в вакууме, и на них воздействуют вращающиеся электроны, испускаемые из катода 40. Для охлаждения встречно-штыревых электродов 96, нанесенных на внутреннюю поверхность, может использоваться воздушное охлаждение внешней стенки трубки 110.
Таким образом, трубка 110 окружает катод 40 и может быть единственной частью устройства 22, содержащей вакуум. Участки трубки 110, которые не включают в себя встречно-штыревые электроды 96, могут иметь металлизированную пленку на внутренней поверхности для обеспечения электромагнитной отражательной способности, если необходимо. Трубка 110 с электродами 96 и анодом 40 может быть выполнена в виде композитной структуры способом, во многом аналогичным способу для линейных ламп с электрическими выводами на концах и вакуумом внутри.
Фиг. 12 иллюстрирует еще один вариант воплощения фазера 22 в соответствии с настоящим изобретением. Вариант воплощения подобен вариантам воплощения по фиг. 5-7, но имеет следующие особенности. В данном варианте воплощения встречно-штыревые электроды 96 находятся под высоким положительным постоянным напряжением и изолированы от полюсных наконечников 90. Как показано на фиг. 12, встречно-штыревые электроды 96, связанные с каждым полюсным наконечником 90, соответственно проходят от электропроводящего кольца 120. Каждое кольцо 120 электрически изолировано от соответствующего полюсного наконечника 90 изолирующей прокладкой 122.
Следовательно, встречно-штыревые электроды 96 имеют плавающий электрический потенциал по отношению к полюсным наконечникам 90. При функционировании электроды 96 электрически связаны с источником положительного (+) высокого напряжения через вывод 56 и проводящие кольца 120. Сами же полюсные наконечники 90 подсоединены к заземлению катода через вывод 54. Разность напряжений между катодом 40 и встречно-штыревыми электродами 96 приводит к появлению поля E, проходящего радиально между ними. Функционирование аналогично тому, что и в предыдущих вариантах воплощения.
Хотя встречно-штыревой электрод 96 с плавающим электрическим потенциалом, который в варианте воплощения по фиг. 12 показан в связи с вариантом воплощения с широким анодом, понятно, что встречно-штыревые электроды 96 с плавающим электрическим потенциалом могут аналогично применяться к варианту воплощения с узким анодом по фиг. 8-10, не выходя за рамки изобретения. В другом варианте воплощения фазера 22 могут использоваться встречно-штыревые электроды 96 с полюсными наконечниками 90, которые раздвинуты так, что их поверхность 98 сводится на конус от клетки, сформированной встречно-штыревыми электродами 96 в радиальном направлении.
Кроме того, различные варианты воплощения анода 42, использующие встречно-штыревые электроды 96, могут включать некоторые электроды 96, проходящие полностью между соответствующими полюсными наконечниками 90, находясь в прямом электрическом контакте с обоими полюсными наконечниками и/или проводящими кольцами. Такие соединения обеспечивают при необходимости непрерывность по постоянному току.
Фазер 22 описан выше в контексте анодной структуры, окружающей катод. В альтернативном варианте воплощения структура может быть инвертирована. Анод может быть окружен цилиндрическим катодом. Настоящее изобретение включает в себя как инвертированные, так и не инвертированные формы.
Хотя изобретение представлено и описано в отношении некоторых предпочтительных вариантов воплощений, для специалистов в данной области техники будут очевидны эквиваленты и модификации таких вариантов на основе информации, содержащейся в описании. Настоящее изобретение включает в себя все такие эквиваленты и модификации и ограничено только объемом следующей формулы изобретения.
1. Источник электромагнитного излучения, содержащий анод и катод, разделенные анодно-катодным пространством; электрические контакты для приложения напряжения постоянного тока между анодом и катодом и для создания электрического поля в анодно-катодном пространстве; по меньшей мере, один магнит, предназначенный для создания в анодно-катодном пространстве магнитного поля постоянного тока, направленного по существу по нормали к электрическому полю; множество волноводов в пределах анода, соответственно, имеющих отверстия анодно-катодного пространства, сформированных вдоль поверхности анода, задающей анодно-катодное пространство, при этом электрические и магнитные поля так воздействуют на электроны, испускаемые из катода, что они следуют по траектории в анодно-катодном пространстве и проходят в непосредственной близости от отверстий анодно-катодного пространства, причем поверхность анода по существу свободна от отверстий в какие-либо резонансные полости, кроме отверстий анодно-катодного пространства; и общий резонатор, который принимает электромагнитное излучение, индуцированное в отверстиях анодно-катодного пространства в результате прохождения электронов в непосредственной близости от отверстий анодно-катодного пространства и прохождения через соответствующие волноводы в общий резонатор через соответствующие концевые отверстия волноводов в общий резонатор, при этом общий резонатор отражает электромагнитное излучение обратно к отверстиям в анодно-катодное пространство, и создает осциллирующие электрические поля в каждом из отверстий на требуемой рабочей частоте, при этом множество волноводов включает в себя волноводы, имеющие различные электрические длины, для осуществления различного фазирования электромагнитного излучения, проходящего через них.
2. Источник по п.1, отличающийся тем, что осциллирующие электрические поля конкретного отверстия сдвинуты по фазе на 180° относительно смежных отверстий в анодно-катодное пространство.
3. Источник по п.1, отличающийся тем, что волноводы, имеющие различные электрические длины, включают в себя волноводы, имеющие различные размеры.
4. Источник по п.3, отличающийся тем, что различные размеры лежат в Н-плоскости.
5. Источник по п.3, отличающийся тем, что различные размеры обусловлены волноводами, имеющими различные длины.
6. Источник по п.1, отличающийся тем, что разность в электрической длине равна приблизительно половине λ, где λ представляет длину волны на рабочей частоте.
7. Источник по п.1, отличающийся тем, что катод выполнен цилиндрическим с радиусом rc; анод выполнен кольцевым с радиусом ra и коаксиально центрирован с катодом, определяя анодно-катодное пространство с шириной wa=ra-rc; при этом длина окружности поверхности анода больше чем λ, где λ представляет длину волны на рабочей частоте.
8. Источник по п.1, отличающийся тем, что анод содержит множество клиньев, расположенных рядом для образования полого цилиндра, имеющего находящееся в нем анодно-катодное пространство, а каждый из клиньев содержит первую выемку, которая, по меньшей мере, частично определяет волновод, имеющий отверстие, выходящее в анодно-катодное пространство.
9. Источник электромагнитного излучения, содержащий анод и катод, разделенные анодно-катодным пространством; электрические контакты для приложения напряжения постоянного тока между анодом и катодом, и для создания электрического поля в анодно-катодном пространстве; по меньшей мере, один магнит, предназначенный для создания магнитного поля постоянного тока в анодно-катодном пространстве, направленного по существу по нормали к электрическому полю; матрицу из N штыревидных электродов, обеспечивающих, по меньшей мере, часть анода и расположенных таким образом, чтобы определять анодно-катодное пространство; и по меньшей мере, одну общую резонаторную полость вблизи от N электродов, при этом N электродов разнесены с образованием отверстий между ними, и на электроны, испускаемые из катода, воздействуют электрические и магнитные поля таким образом, что электроны следуют по траектории в анодно-катодном пространстве и проходят в непосредственной близости к упомянутым отверстиям для формирования резонансного электромагнитного поля в пределах, по меньшей мере, одной общей резонансной полости, и длина окружности структуры из N электродов, определяющих анодно-катодное пространство, больше чем λ, где λ представляет длину волны на рабочей частоте источника электромагнитного излучения.
10. Источник по п.9, отличающийся тем, что катод имеет по существу цилиндрическую форму относительно оси, а N электродов формируют, по меньшей мере, одну цилиндрическую клетку, расположенную коаксиально вокруг катода.
11. Источник по п.10, отличающийся тем, что N электродов формируют множество цилиндрических клеток, расположенных коаксиально вокруг катода, причем множество цилиндрических клеток установлены одна над другой.
12. Источник по п.10, отличающийся тем, что электроды ориентированы параллельно оси.
13. Источник по п.10, отличающийся тем, что N/2 электродов начинаются от нижней части анодно-катодного пространства, а остальные N/2 электродов начинаются от верхней части анодно-катодного пространства.
14. Источник по п.13, отличающийся тем, что электроды, начинающиеся от нижней части анодно-катодного пространства, расположены встречно-штыревым образом с электродами, начинающимися от верхней части анодно-катодного пространства.
15. Источник по п.14, отличающийся тем, что N электродов связаны с фиксированным потенциалом постоянного тока для формирования электрического поля, а потенциалы переменного тока индуцируются на электродах резонансным электромагнитным полем.
16. Источник по п.15, отличающийся тем, что потенциалы переменного тока, индуцированные на смежных встречно-штыревых электродах, сдвинуты по фазе, соответственно, на 180°.
17. Источник по п.14, отличающийся тем, что N электродов образованы проводящим слоем, выполненным на трубке.
18. Источник по п.14, отличающийся тем, что верхняя и нижняя части анодно-катодного пространства, соответственно, определены верхним и нижним магнитными полюсными наконечниками.
19. Источник по п.18, отличающийся тем, что N электродов электрически и механически связаны с соответствующим полюсным наконечником.
20. Источник по п.18, отличающийся тем, что N электродов электрически изолированы от соответствующего полюсного наконечника.
21. Источник по п.18, отличающийся тем, что полюсные наконечники определяют волновод между N электродами и, по меньшей мере, одной общей резонансной полостью.
22. Источник по п.21, отличающийся тем, что волновод имеет длину, приблизительно равную целому кратному λ/2, где λ - длина волны, соответствующая частоте резонансного магнитного поля.
