RU2634185C1

RU2634185C1 - Shf cascade amplifier

Info

Publication number: RU2634185C1
Application number: RU2016134345A
Authority: RU
Inventors: Михаил Петрович Апин; Дмитрий Николаевич Золотых; Владимир Игоревич Роговин
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз")
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2016-08-22
Publication date: 2017-10-24

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: amplifier is comprised of the several amplification stages on the basis of the matrix of the microtriodes with the field-emission cathodes. The output anode-grid line of the previous stage is the input cathode-grid line of the following amplification stage. The longitudinal sizes of the matrix of the microtriodes of all the amplification stages, except for the last one, are substantially smaller than the input SHF signal wavelength. The length of the last amplification stage microtriodes matrix can be random. The number of the amplification stages is selected in reliance on the target values of the amplification factor and the output power.

EFFECT: loss in mass-dimensional performances of the device and increase of the operating frequency upper limit.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электронных приборов СВЧ и по физическим принципам функционирования близко к вакуумным усилителям с распределенным взаимодействием.The invention relates to the field of microwave electronic devices and, by physical principles of operation, is close to vacuum amplifiers with distributed interaction.

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.The development of vacuum microelectronics is associated with the development of the technology for manufacturing field emission cathodes and the construction of microwave amplifiers on their basis. One possible implementation of such an amplifier is a distributed amplifier, the principles of which are described in detail in [Ginston EX., Hewlett W.R., Jasberg J.H. Distributed amplification // Proc. IRE. 1948. V. 36. P. 956]. With the advent of vacuum microelectronic triodes with field emission cathodes, it was shown in [Kabanov I.N. Calculation of microvacuum triodes on matrix field emission cathodes // 8th International Conference of CrimeaMoCo, September 1998, p. 205-207], [US Patent US 4,987,377 A, IPC: H01J 3/02; H03F 1/18; H03F 3/60; (IPC1-7): H03F 3/60, publ. 01/22/1991] that distributed amplifiers can be used up to a frequency of 1 THz, and the bandwidth of amplified frequencies is limited by design capabilities. However, the rapid development of distributed amplifiers is constrained by several factors [Sokolov D.V., Trubetskov D.I. Cross-field microelectronic field emission amplifier // Journal of Technical Physics, 2000, Volume 70, Issue. 1, p. 136-138]: the use of thin metal films significantly increases RF loss, and a relatively wide and extended matrix of microtriodes with a small cathode-grid distance increases the input capacitance of the amplifier and significantly underestimates the upper limit of the operating frequency band.

Известны технические решения, позволяющие уменьшить влияние перечисленных негативных факторов.Known technical solutions to reduce the impact of these negative factors.

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.A well-known distributed microwave amplifier in which it is proposed to perform the anode-grid and cathode-grid lines the same in the form of a periodic pin retardation system, the pins of which act as anodes of microelectronic triodes [Patent RU No. 2098882, IPC: H01J 21/20, H03F 3/60 ; publ. 12/10/1997]. This approach allows to reduce RF losses and improve heat removal from micro-tips.

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.The disadvantage of this solution is the narrowing of the working band due to the fact that the moderating system is similar in type to moderating systems such as a chain of coupled resonators, which, as is known [Silin RA, Sazonov VP Slowing waveguides / M., Sovetskoe Radio, 1966, 632 pp.], Have a pronounced dispersion, which makes it difficult to obtain a wide (from 1 octave or more) band of amplified frequencies.

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].A technical solution is known [McGruer N.E., Johnson A.S., McKnight S.W. Prospect for a 1 THz Vacuum Microelectronic Microstrip Amplifier // IEEE Trans, on Electron Devices, vol. 38, No. 3, March 1991], in which it is proposed to introduce an additional metal plane between the grid and the anode, which is under the cathode potential. This design allows you to slightly increase the operating frequency of the amplifier in comparison with [Kabanov I.N. Calculation of microvacuum triodes on matrix field emission cathodes // 8th International Conference of CrimeaMoCo, September 1998, p. 205-207].

Недостатком такого решения является заметное увеличение угла пролета электронов, что является физическим ограничением дальнейшего повышения рабочей частоты усилителя.The disadvantage of this solution is a noticeable increase in the angle of flight of electrons, which is a physical limitation of a further increase in the operating frequency of the amplifier.

Технический результат заявляемого технического решения направлен на снижение массогабаритных показателей устройства и увеличение верхней границы рабочего диапазона частот.The technical result of the proposed technical solution is aimed at reducing the overall dimensions of the device and increasing the upper limit of the working frequency range.

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.This is achieved by the fact that the cascade microwave amplifier includes a cascade connection of several amplification sections of the same length, in which the output anode-grid line of the previous cascade is the input cathode-grid line of the subsequent amplification cascade, and for each section the condition is met that the length of the microtriode array is significantly less than the wavelength of the input microwave signal. In this case, the cathode-grid distance is not equal to the anode-grid distance, the length of the microtriode matrix of the last amplification section is comparable to or exceeds the wavelength of the output microwave signal, and the internal cavities are filled with a dielectric, with the exception of the cathode-anode space of microtyrodes.

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.The field emission current is described by the Fowler-Nordheim relation [Fursey G.N. Field emission. / S-Pb, “Lan”, 2012, 322 pp.], Due to which the microtriode based on a cold field emission micro-tip cathode has a fairly large slope. However, the current drawn from one micro-tip is very small, since an increase in it can lead to overheating of the micro-tip or explosive emission. Therefore, to obtain an acceptable gain in distributed amplifiers, microtriode arrays are used. The dimensions of the matrix directly determine the input capacitance of the amplifier.

Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами.The technical nature and principle of operation of the proposed device are illustrated by drawings.

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.In FIG. 1 schematically shows the design of the claimed technical solution - cascade amplifier. The input microwave signal enters the input waveguide 1, which, to reduce possible reflections, gradually narrows and forms a cathode-grid line of the first input amplifier stage. The transverse component of the electric field of the input microwave signal causes the field emission current (increase — in the presence of a bias voltage on the grid) from the micropoints 3. This current, passing through the holes 2 in the grid, is deposited on the anode 5, which is the grid for the second amplification stage, and together with a grid of the first (input) stage forms a cathode-grid line of the second amplification stage. Cathode-grid and anode-grid lines are waveguides of rectangular cross-section (Fig. 1, section AA). The distance from the plane of the cathode (we should understand the plane on which the micro tip is located) to the plane of the grid is equal to the distance from the plane of the grid to the plane of the anode. The micro-tip current deposited on anode 5, according to the consequences of the Lorenz lemma [AD Grigoryev Electrodynamics and microwave technology / Moscow, Vysshaya Shkola, 1990, 335 pp.], Excites electromagnetic waves running both to the right and to the left in the anode-grid line of the first amplification stage (it is the cathode-grid line of the second amplification stage) (in the plane of the drawing). The transverse component of the excited electric field causes the appearance (increase) of the field emission current from the micropoints of the second amplification stage. For the remaining cascades, the process is similar. In the last cascade, the field emission current of the micropoint excites electromagnetic waves in the anode-grid line, which gradually expands and passes into the output waveguide 6, from which the amplified microwave signal is removed. To eliminate possible reflections from the ends of the anode-grid and cathode-grid lines, absorbing coatings and inserts 4 are used, made in the form of smooth transitions to reduce the reflection coefficient.

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.In the proposed technical solution, the longitudinal dimensions of the matrices of microtriodes are much smaller than the wavelength of the microwave signal, which suggests that all microtriodes are in the same phase of the electromagnetic field of the microwave signal. This means that the operation of these microtriodes is synchronous. Given the synchronized operation of microtriodes and the relatively small size of the matrix, it can be argued that the field emission current excites electromagnetic waves of the same amplitude in the anode-grid line, traveling both to the right and to the left (in the plane of the drawing). This allows you to arrange the matrix of microtriodes of subsequent amplification stages in a checkerboard pattern, which allows to reduce the longitudinal dimensions of the amplifier. The proposed design allows to achieve greater rigidity in comparison, for example, with [Silin R.A., Sazonov V.P. Slowing waveguides / M., "Soviet Radio", 1966, 632 S.], where the proposed design is elongated in the direction of propagation of the electromagnetic wave. The increased rigidity of the structure allows to reduce the weight of the amplifier, since the amplifier housing must contain a smaller number of elements that add strength to the structure.

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.The diameters of the holes 2 in the grid are much smaller than the wavelength corresponding to the highest operating frequency of the amplifier. This eliminates the direct penetration of the microwave signal from the cathode-grid line into the anode-grid line, which ensures RF isolation between the amplification stages. This is especially important for the first (input) stage, because The presence of RF isolation increases the input impedance of the amplifier as a whole and reduces the input capacitance.

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.In FIG. 2 schematically shows a modified design of the claimed technical solution - cascade amplifier, different from the design shown in FIG. 1, in that the distance from the plane of the cathode (we should understand the plane on which the micro-tip is located) to the plane of the grid is not equal to the distance from the plane of the grid to the plane of the anode. To reduce RF reflections, the transitions of the anode-grid line of the previous amplification cascade to the cathode-grid line of the subsequent amplification cascade are made smooth. The presence of smooth transitions slightly increases the longitudinal dimensions of the amplifier. Otherwise, the principles of operation of the devices are identical.

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.In FIG. 3 schematically shows a modified design of the claimed technical solution - cascade amplifier, different from the design shown in FIG. 1, in that the length of the last amplification section is comparable or greater than the wavelength of the amplified microwave signal, i.e. the output section is a classic distributed amplifier.

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.In FIG. 4 schematically shows a modified design of the claimed technical solution - cascade amplifier, different from the design shown in FIG. 3, in that the distance from the plane of the cathode (the plane on which the micro-tip is located) to the plane of the grid is not equal to the distance from the plane of the grid to the plane of the anode. To reduce RF reflections, the transitions of the anode-grid line of the previous amplification cascade to the cathode-grid line of the subsequent amplification cascade are made smooth. The presence of smooth transitions slightly increases the longitudinal dimensions of the amplifier. Otherwise, the principles of operation of the devices are identical.

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.For the convenience of perception, the drawings depict structures with several amplification stages, however, the number of amplification stages depends on the required amplification factor and can be arbitrary. The grid can be insulated from the cathode using a dielectric.

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.].Technically, the claimed device can be implemented using metal-film technologies and technology for growing carbon nanotubes, characteristic of vacuum field emission microelectronics [Fursey G.N. Field emission. / S-Pb, "Doe", 2012, 322 p.].

Источники информацииInformation sources

1. Ginston E.L., Hewlett W.R., Jasberg J.H. Distributed amplification // Proc. IRE. 1948. V. 36. P. 956.1. 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. 205-207.2. Kabanov I.N. Calculation of microvacuum triodes on matrix field emission cathodes // 8th International Conference of CrimeaMoCo, September 1998, p. 205-207.

3. Патент США US4987377 А, МПК: H01J 3/02; H03F 1/18; H03F 3/60; (IPC1-7): H03F 3/60, опубл. 22.01.1991.3. US patent US4987377 A, IPC: H01J 3/02; H03F 1/18; H03F 3/60; (IPC1-7): H03F 3/60, publ. 01/22/1991.

4. Соколов Д.В., Трубецков Д.И. Микроэлектронный автоэмиссионный усилитель со скрещенными полями // Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 1, С. 136-138.4. Sokolov D.V., Trubetskov D.I. Cross-field microelectronic field emission amplifier // Journal of Technical Physics, 2000, Volume 70, Issue. 1, pp. 136-138.

5. Патент RU №2098882, МПК: H01J 21/20, H03F 3/60; опубл. 10.12.1997.5. Patent RU No. 2098882, IPC: H01J 21/20, H03F 3/60; publ. 12/10/1997.

6. Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие волноводы / М., «Советское радио», 1966, 632 с.6. Silin R.A., Sazonov V.P. Slowing waveguides / M., "Soviet Radio", 1966, 632 S.

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 1991.7. McGruer N.E., Johnson A.S., McKnight S.W. Prospect for a 1 THz Vacuum Microelectronic Microstrip Amplifier // IEEE Trans, on Electron Devices, vol. 38, No. March 3, 1991.

8. Фурсей Г.Н. Автоэлектронная эмиссия. / С-Пб, «Лань», 2012, 322 с.8. Fursey G.N. Field emission. / S-Pb, "Doe", 2012, 322 p.

9. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ / М., «Высшая школа», 1990, 335 с.9. Grigoriev A.D. Electrodynamics and microwave technology / M., "Higher School", 1990, 335 S.

Claims

1. Каскадный усилитель СВЧ, включающий 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.1. A cascade microwave amplifier, which includes a cascade connection of several amplification sections of the same length, in which the output anode-grid line of the previous stage is the input cathode-grid line of the subsequent amplification stage, and for each section the condition is met that the length of the microtriode array is much less than the length waves of the input microwave signal.

2. Каскадный усилитель СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что расстояние катод-сетка не равно расстоянию сетка-анод.2. The cascade microwave amplifier according to claim 1, characterized in that the cathode-grid distance is not equal to the grid-anode distance.

3. Каскадный усилитель СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что длина матрицы микротриодов последней усилительной секции соизмерима, либо превышает длину волны входного СВЧ сигнала.3. The cascade microwave amplifier according to claim 1, characterized in that the matrix length of the microtriodes of the last amplification section is comparable to or exceeds the wavelength of the input microwave signal.

4. Каскадный усилитель СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что внутренние полости заполнены диэлектриком, за исключением пространства катод-анод микротриодов.4. The cascade microwave amplifier according to claim 1, characterized in that the internal cavity is filled with a dielectric, with the exception of the cathode-anode space of microtriodes.