JP2010519695A - 高周波ヘリックス増幅器および発振器 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 本明細書は、微細加工技術を使用して製造された小型ヘリックス遅波回路を用いて動作するｍｍおよびサブｍｍ級の波長増幅器および発振器を開示する。前記ヘリックスは、ダイアモンド製の誘電性支持棒によって支持されている。ダイアモンドは最良の熱伝導体であり、前記ヘリックスに接合可能である。前記電子ビームは、前記ヘリックスの中心を通って伝送されるのではなく、その外周から伝送される。構成によっては、生成されたＲＦ電力は前記遅波回路から直接放射できる。超６０ＧＨｚに適用可能な前記製造法は、量産に適している。
【選択図】 図１Ａ、図１Ｂ

Description

本願は、２００７年２月２１日付で出願された、米国仮出願第６０／９０２，５３７号に対して優先権を主張する。

本プロジェクトには、米国政府契約第ＦＡ９５５０−０７−Ｃ−００７６号、ＦＡ９５５０−０６−Ｃ−００８１号、Ｗ９１１ＮＦ−０６−Ｃ−００８６号、およびＷ９１１ＮＦ−０６−Ｃ−００２６号により経済援助が提供されており、米国政府が本発明に対する一定の権利を有する場合もある。

本発明は、ミリメートルおよびサブミリメートル波長の生成、増幅および処理技術に関する。本発明は、特に、ミリメートルおよびサブミリメートル波長の増幅器および発振器用の進行波管などの電子装置に関し、特にそれらに関して記述される。但し、本発明はまた、ミリメートルおよびサブミリメートル波長において動作するその他の装置および遅波回路を用いたその他の装置へ適用することもできる。

進行波管（ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｗａｖｅ ｔｕｂｅ：ＴＷＴ）とは、一般的に空洞の、真空気密のバレルによって区画される遅波回路を一般的に含む電子装置であり、選択的に当該バレル内にミリメートルおよびサブミリメートル波長回路がさらに配置されている。前記遅波回路の周りに電子源および好適なステアリング磁石、または電界が配置され、電子ビームが一般的に空洞のビームトンネル内を通過する。電子は前記遅波回路と相互作用し、前記電子ビームのエネルギーは前記遅波回路によって導かれるマイクロ波に移動する。このような進行波管は、ミリメートルおよびサブミリメートル波長の生成および増幅を提供する。

一世代前には、ヘリックス後進波発振器（ｂａｃｋｗａｒｄ ｗａｖｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＢＷＯ）がマイクロ波掃引周波数発振器の最適な信号源であった。しかし、今日、この用途は固体装置によって取って代わられている。ヘリックス遅波回路は、４５ＧＨｚで２００ワット程度の連続波（ＣＷ）を生成する高出力ミリメートル波進行波管（ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｗａｖｅ ｔｕｂｅ：ＴＷＴ）増幅器として現在も使用されているが、従来の製造法、熱管理、および電子ビームの伝送に関連した基本的な問題は、より高い周波数用途にとっての障害となっている。ヘリックスを製造する従来の方法では、何十年もの間、丸い導線または長方形のテープを円筒形のマンドレルの周りに巻きつける必要があった。所望の動作周波数が高まるにつれて前記マンドレルの直径を減少させる必要があり、前記導線の厚みが前記マンドレルの半径のかなりの割合となると前記ヘリックスの内半径と外半径間の応力が大きくなっていた。電子ビームの遮蔽、またはＲＦ電流の抵抗損により前記ヘリックス上に発生する熱は、誘電性の支持棒を伝導して発散させる必要があるが、この支持棒は熱伝導性に劣り、また頻繁に前記ヘリックスと幾分不確実に熱的に接触する。前記ヘリックスの内径は周波数が高くなるにつれて減少し、それにより従来の電子ビーム伝送のための空間が減少するため、達成可能な出力電力は減少する。

本発明は、上記で考察した難点およびその他の難点を解決する新しく改良された真空電子装置を意図する。

本発明の１観点において、電子装置の遅波回路を提供する。前記遅波回路は、らせん状導電性構造であって、当該らせん状導電性構造の外周を電子ビームが流れ、当該電子ビームは当該らせん状導電性構造を囲む環状パターンに配置され、且つ一連のビームレットの形状になっているものである、前記らせん状導電性構造と、前記らせん状導電性構造を収容する、円筒形の、一般的に空洞であるダイアモンド製バレルと、前記らせん状導電性構造および前記空洞のバレルに接合された１対のダイアモンド製の誘電性支持構造とを有する。

本発明の別の観点において、陰極とコレクターとを有する電子装置の遅波回路を提供する。前記遅波回路は、前記陰極と前記コレクターとの間のらせん状導電性構造であって、当該らせん状導電性構造の外周りを電子ビームが流れ、当該電子ビームは、当該らせん状導電性構造を囲む環状パターンに配置され、且つ一連のビームレットの形状になっているものである、前記らせん状導電性構造と、前記らせん状導電性構造を収容しする、正方形の、一般的に空洞であるダイアモンド製バレルと、前記らせん状導電性構造および前記空洞のバレルに接合された１対の連続したダイアモンド製の誘電性支持構造とを有する。

本発明のさらに別の観点において、ヘリックス進行波管の遅波回路を提供する。前記進行波管からの出力電力は、前記遅波回路の延長であるヘリカルアンテナから自由空間内へ直接放出される。

本発明の適用性のさらなる範囲は、以下に提供する詳細な説明から明白となるであろう。しかしながら、当業者であれば、本発明の趣旨および範囲内において種々の変更および修正は自明であるので、詳細な説明および特定の実施例は本発明の好適な実施形態を示しているが、これらは例示としてのみ提供されていることを理解すべきである。

本発明は、本装置の種々の部品の構成、配置、および組み合わせ、およびその方法の工程において存在し、その検討される目的は、以下により完全に規定され、その請求項に具体的に指摘され、添付の図面に図示される通りに達成される。
図１Ａおよび１Ｂは、本発明の観点による、ダイアモンドによって支持された小型のヘリックス遅波回路を図示する。 図１Ａおよび１Ｂは、本発明の観点による、ダイアモンドによって支持された小型のヘリックス遅波回路を図示する。 図２は、ヘリックスの動作の分散図である。 図３は、陰極における（左）、および強磁界内における伝搬後（右）の、不完全なホロー電子ビームの変形を示すグラフである。 図４は、強磁界内のビームレットの環状アレイの安定した伝搬を図示する。 図５Ａおよび５Ｂは、例示的な磁気回路設計の立面図（５Ａ）および断面図（５Ｂ）を示す。 図５Ａおよび５Ｂは、例示的な磁気回路設計の立面図（５Ａ）および断面図（５Ｂ）を示す。 図６は、図５に示す回路によって生成された軸磁界を図示する。 図７は、６５０ＧＨｚのＢＷＯとしての動作の分散図の一部を表す。 図８は、不要なモードの抑制のための切込みを入れたバレルを有するＢＷＯを図示する。 図９は、導波管結合器内のプローブの断面図である。 図１０は、導波管構成内のプローブの反射減衰量を示すグラフである。 図１１は、コレクター近傍の裾引き磁界を示すグラフである。 図１２は、コレクターの外形の断面（左）および側面（右）を図示する。 図１３は、ＢＷＯコレクター内の電子軌道の側面図である。 図１４は、ＢＷＯの半体のレイアウトおよび組み立てられたＢＷＯ構造の端面図である。 図１４は、ＢＷＯの半体のレイアウトおよび組み立てられたＢＷＯ構造の端面図である。 図１５は、両端を取り外した電子銃のコンピューターシミュレーションである。 図１６は、透明な箱としてのダイアモンド製ハウジングを有する組み立てられたＴＷＴの図である。 図１７は、ＴＷＴダイアモンド製支持シート上に蒸着した共振損失構造を示す図である。 図１８は、ヘリカルアンテナの出力の断面である。 図１９Ａ〜Ｃは、ダイアモンドで支持されたヘリックスの１製造方法を図示する。 図１９Ａ〜Ｃは、ダイアモンドで支持されたヘリックスの１製造方法を図示する。 図１９Ａ〜Ｃは、ダイアモンドで支持されたヘリックスの１製造方法を図示する。 図２０は、製造法によって生じる可能性のある、理想的なヘリックス外形の現実的な変形を示す図である。

本明細書は小型ヘリックス低速波構造を開示するものであり、この小型ヘリックス低速波構造におけるヘリックスは、シリコンウェハーの反応性イオンエッチングによるリソグラフィーでパターン化された円形溝部内に金属を選択的にメッキすることによって製造されるものである。前記ヘリックスは、ダイアモンドの誘電性支持棒によって支持されている。ダイアモンドは最良の熱伝導体であり、前記ヘリックスに接合することができる。前記電子ビームは、前記ヘリックスの中心を通って伝送されるのではなく、その外周から伝送される。例えばＣバンドでは現実的ではないが、ｍｍおよびサブｍｍ波長範囲における動作のためにこのような構造を製造することは実施可能である。ＴＷＴおよびＢＷＯに共に適用される概念として、この概念を説明する。

ここで図面を参照するが、当該図面における提示の目的は、例示的な実施形態の図示ことのみにあり、請求事項を限定するものではない。図１Ａおよび１Ｂは、小型ヘリックス遅波回路の図を提供する。図１Ａに示すように、ヘリックス１０の１ターンは、半ターン毎に取り付けられたダイアモンド製スタッド１４によって円形のダイアモンド製バレル１２内に支持できる。前記ダイアモンド製スタッド１４は、一般に、化学気相蒸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）によって形成される。

ＣＶＤによるダイアモンド合成は、十分に実証された技術である。独立した物体を合成できるだけでなく、種々の物体上にダイアモンド被覆を合成できることは既知である。一般に、前記独立した物体は平面の基板、またはその中に形成された比較的単純なキャビティーを有する基板上にダイアモンドを蒸着することによって製造されてきた。例えば、米国特許第６，１３２，２７８号明細書には、ダイアモンドを成長させて前記シリコン基板内に形成されたキャビティーを埋めることによってプラズマ促進ＣＶＤによる固体の、一般的にはピラミッド形の、または円錐形のダイアモンド製マイクロチップエミッターを形成する工程が開示されており、米国特許第７，０３７，３７０号明細書には、独立した、内部で支持された、複数の交わる小面（平面または非平面）を含む外面を有する３次元の物体であって、この物体は、前記交わる小面の少なくとも部分集合がダイアモンド層を有するものである、前記物体を作る別の方法が開示されており、各々の開示は、この参照により、本明細書内に組み込まれている。

前記バレル１２の内面１６は、金属被覆されている。図１Ｂは、ＣＶＤダイアモンド製連続シート２４によって正方形のダイアモンド製バレル２２内に支持されたヘリックス２０の複数のターンを示す。前述の場合と同じく、前記バレルは、前記バレル２２の内面２６が選択的に金属被覆されたＣＶＤダイアモンドから製造できる。従来とは異なる前記正方形のバレル２２は、微細加工処理を容易にするため、および不要なモードの抑制効果のために導入されている。これらの構造の寸法は、動作の周波数、および前記装置が増幅器であるか発振器であるかなどの幾つかの要因によって異なり、本発明の発明者らによって以前に紹介された周知の計算手法を使用して決定される。Ｃ．Ｌ．ＫｏｒｙおよびＪ．Ａ．Ｄａｙｔｏｎ，Ｊｒ．による、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ＥＤ，Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．４、９６６〜９７１ページ（１９９８年４月刊）の「Ａｃｃｕｒａｔｅ Ｃｏｌｄ−Ｔｅｓｔ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｈｅｌｉｃａｌ ＴＷＴ Ｓｌｏｗ−Ｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ」、Ｃ．Ｌ．ＫｏｒｙおよびＪ．Ａ．Ｄａｙｔｏｎ，Ｊｒ．による、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ＥＤ，Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．４、９７２〜９７６ページ（１９９８年４月刊）の「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｈｅｌｉｃａｌ Ｓｌｏｗ−Ｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｎ ＴＷＴ Ｃｏｌｄ−Ｔｅｓｔ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ」、Ｃ．Ｌ．ＫｏｒｙおよびＪ．Ａ．Ｄａｙｔｏｎ，Ｊｒ．による、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．９、２０６３ページ、１９９８年９月刊の「Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ Ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｈｅｌｉｃａｌ Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−Ｗａｖｅ Ｔｕｂｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、および、Ｒ．Ｔ．Ｂｅｎｔｏｎ、Ｃ．Ｋ．Ｃｈｏｎｇ、Ｗ．Ｌ．Ｍｅｎｎｉｎｇｅｒ、Ｃ．Ｂ．Ｔｈｏｒｉｎｇｔｏｎ、Ｘ．Ｚｈａｉ、Ｄ．Ｓ． Ｋｏｍｍ、およびＪ．Ａ． Ｄａｙｔｏｎ，Ｊｒ．による、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ＥＤ，Ｖｏｌ．４８，Ｎｏ．１、１７６〜１７８ページ（２００１年１月刊）の「Ｆｉｒｓｔ Ｐａｓｓ ＴＷＴ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｕｃｃｅｓｓ」を参照されたい。

前記従来の動作モードにおいて、前記ヘリックスの中心を通る軸に沿って電子ビームが方向づけられる。有意な電流を通すにはヘリックスの内径が小さくなり過ぎるので、これが今まで前記ヘリックス装置の非常に高い周波数での動作を阻害してきた要因の１つである。ここでの革新の１つは、前記電流を、前記ヘリックスの外側の比較的大きな空間を通って流すことを可能とすることである。ここでは、前記電磁界は大きく異なる。図２に示すような９５ＧＨｚのＴＷＴの場合の前記ヘリックスの分散相関は、３つのモードの存在を示す。本明細書内で説明する全てのヘリックス構造は、図２と同様のモード図を有する。図１に示した構成は、製造される前記実際の回路の理想化である。実際に製造される前記構造が幾つかの詳細において僅かに異なるかもしれないが、これらは前記小型ヘリックス装置の性能を正確にシミュレートするのに有用である。図２を作成するために使用する前記計算手法は容易に適用可能であり、製造される前記構造の厳密な詳細をシミュレーションする。

図２の原点３０から引かれた直線の傾きは、その電子の速度に比例する。前記モード線の傾きは、それら電波の群速度に比例する。前記電子速度線とモード線との交点は、前記電波および電子の速度がほぼ同期する潜在的な動作点を示す。図２には、２つの電子速度線が引かれている。その上側の線３２は９５ＧＨｚにおいてモード１と、２７０ＧＨｚにおいてモード２と、４８０ＧＨｚにおいてモード３と交差する。モード１の動作点における傾きは正であり、正の群速度を示し、従って進行波増幅（ＴＷＴ）を示す。しかし、モード２およびモード３の動作点においては、前記傾きは負であり、有害な後進波発振を招きかねない潜在的に不要な交点を示す。モード１との交点が第１の動作点であり、従って基本モードである。しばしば、前記基本モード以外のモードにおける動作を抑制する必要がある。

より低速の電子速度線３４は、より低い電圧における動作では、前記基本動作点が、前記装置が発振する（ＴＷＴではなくＢＷＯとして動作する）であろう１７０ＧＨｚにおけるモード２との交点にあることを示す。また、この位相速度線は、２５０ＧＨｚにおいてモード１と、２７０ＧＨｚにおいてモード３とも交差する。これら両方の動作点は、それらを抑制しなければ前記基本モードと干渉しかねない潜在的な発振源である。

その寸法および動作電圧の選択次第で、これらヘリックス装置は、増幅器（ＴＷＴ）として、または発振器（ＢＷＯ）として構成できる。不要な動作モードを抑制するための幾つかの方法を説明する。前記ＢＷＯ回路から前記バレルに不可欠な部品である導波管内に出力電力が結合されている。前記出力導波管の端部にあるホーンアンテナは、擬似光学的動作のために前記ＢＷＯから直接放射することができ、または閉鎖系による動作のために、前記導波管を縁部において終端してもよい。前記ＴＷＴへの入力電力は、擬似光学的結合を使用して、または前記バレルの不可欠な部品である導波管によって達成できる。前記ＴＷＴからの出力電力は、前記ヘリックス遅波回路の不可欠な部品として製造されたヘリカルアンテナから直接放射してもよく、または、前記バレルの不可欠な部品である導波管内に結合してもよい。前記ＴＷＴおよび前記ＢＷＯの両方の電子ビームは、それら相互間の静電反発力およびそれらの軸方向の収束磁界との相互作用に起因する力の均衡によって保持されるビームレットの環状アレイによって構成できる。前記ＢＷＯおよびＴＷＴの両方の効率は、前記収束磁界の裾引きを利用して、消費された電子ビームを新奇の電位低減コレクター内で捕捉することによって著しく向上させることができる。

環状マルチビームアレイ
前記ヘリックスを取り囲む電子ビームは、一般的には環状アレイに配置された幾つかのビームレットで構成される。ビームレットの数およびその各々の電流は、前記ヘリックスの外径および前記装置の要求電流に依存する。前記ビームレットは、リソグラフパターン化した電界放出アレイ、または格子付き熱陰極、または小型の熱陰極のアレイから発することができる。前記電子ビームは、軸方向の収束磁界内にある。連続したホロービームは、前記ダイアモンド製支持構造によって遮蔽される。しかし、不連続のホロービームは図３（右）に見られるように不安定となる。ビームレットの環状アレイは、安定的な電子流を生成するための１つの解である。等間隔のビームレット間の静電力は、相互に、およびそれらが囲むヘリックスに対して反発しようとする。これらは、前記軸磁界によって保持される。従来のヘリックス装置において、前記ビームの静電気力は、前記電子を前記ヘリックスの方へ押すことで、好ましくない遮蔽電流を生じさせる。

図４に示すこのマルチビーム伝播の例は、前記陰極から徐々に離れていく、強磁界内のビームレットの環状アレイの安定的な伝播を示す。数ｍｍ進行後、前記アレイ全体が前記軸の周りを数度回転するが、この影響は前記電子ビームをオフセット角から発射することによって補正できる。個別のビームレットもまた、それぞれ自己の軸周りに回転する。やはり、この例は６５０ＧＨｚのＢＷＯに関するものである。各ビームレットは０．７５ｍＡを含み、総ビーム電流は４．５ｍＡである。その他の周波数におけるその他の適用については、ビームレットの数およびビームレット毎の電流が必要に応じて設計される。

図４に示す計算は、０．８５テスラの軸磁界内にある電界放出陰極から発射されたビームレットのアレイに基づく。図５Ａおよび５Ｂに図示された磁気回路４０は、図６にプロットされた必要な磁界の生成の実現性を実際に示す。図６の縦軸の目盛りはテスラであり、横軸の目盛りはｍｍである。前記磁気回路４０は、一般に、中心磁石４２と、１対の端部磁石４４と、１対の磁極４６とを含む。この例において、永久磁石４２、４４はＮｄＦｅＢ５５であり、前記磁極４６はパーメンジュールである。さらに、前記磁石４２、４４は、外径７０ｍｍ、内径６ｍｍである。前記中心磁石４２の長さは３０ｍｍ、前記側部磁石４４の長さは１２ｍｍである。前記磁極４６は、外径６０ｍｍ、長さ４ｍｍである。

サブｍｍＢＷＯ
図２に、基本発振モードおよび２つの競合する高次モードを有するＢＷＯとして、前記小型ヘリックス遅波回路の動作を図示する。６５０ＧＨｚにおけるＢＷＯ動作用に図２を修正した分散図の一部を図７に示す。図７において、便宜上、前記基本発振モードをモード１とした。このような分散図は、厳密な回路寸法を使用してコンピューターシミュレーションから制作される。この場合、図７でシミュレーションされた構成は、円形バレルおよびダイアモンド製スタッド支持材を有するＢＷＯに関する。前記電子速度線は、１２ｋＶ電子ビームについて引かれている。２つの好ましくない高次モードを、前記基本モードに比較的ほとんど影響を与えずに抑制する３つの方法が知られている。前記バレルの内壁部を高抵抗材料で被覆することができる。前記バレルは、図１Ｂに示すように正方形にしてもよい。

図８は、切込みを入れたダイアモンド製バレル５２内に半ターン毎に取り付けられたダイアモンド製スタッド５４によって支持されたヘリックス５０の単一ターンを示す。前述の場合と同様に、前記バレルは、前記バレル５２の内面５６を選択的に金属被覆したＣＶＤダイアモンドから製造できる。高次モードを分裂させるために、スロット５８が組み込まれている。図１Ａおよび図８に示すように、前記ヘリックスは、ダイアモンド製スタッドによって支持されており、これが最も効率的な構造である。しかし、場合によっては、前記ダイアモンド製スタッドを図１Ｂに示すような連続したダイアモンド製シートで置き換えることにより、許容可能な効率低下と引き換えに、より強固な構造を提供することができる。前記コンピューターシミュレーションを最適化することにより、最終設計を得ることができる。

例として、正方形のバレルを利用し、６ｋＶで動作する、連続したダイアモンド製シートによって支持された一般的なＢＷＯ回路の寸法を下記の表１に示す。この設計から予測される出力電力は、その電子ビーム内の電流および電流密度、および前記ビームの前記回路との近接度に依存する。これらの要因の選択は、技術的なトレードオフを必要とする。電流および電流密度の増加はその電子源およびその磁気収束装置により大きなストレスを与える一方、前記電子ビームを前記ヘリックスに近づけることは電子ビームの遮蔽の可能性を高める。表１に述べた、図４に示した４．５ｍＡの電子ビームによって６５０ＧＨｚで動作するＢＷＯについて、コンピューター予測は７０ｍＷの出力電力を示す。前記電流を１０ｍＡまで増加させることができる場合、前記出力電力は２７０ｍＷとなるであろう。より高い電圧で動作することによって、電力をさらに増加させることができる。

表１：正方形のバレルを有するヘリックスＢＷＯの回路寸法（ミクロン）
ヘリックスのピッチ、ｐ ４４．７６
支持棒の厚み、ｔｈ １０
ヘリックスの外径、ｄｉａｍｏ ６２．５
ヘリックスの内径、ｄｉａｍｉ ４２．５
ヘリックスのテープ幅、ｔａｐｅｗ ２６
バレル幅、ｂａｒｒｅｌｄ ２００
ヘリックスの厚み、ｒｔｈ １０

ヘリックス／導波管結合器
ヘリックス／導波管結合器は、前記ＢＷＯによって生成された電力のための出力路を提供するために不可欠である。この結合器の１形態を図９に示す。同様のスキームを前記ＴＷＴへの入力に使用することができ、前記ＴＷＴの代替の出力結合器として使用できる。前記ヘリックス６０の端部が延伸して、前記チューブ本体内に作られた矩形の導波管６４の広い壁部を通過することのできるプローブ６２が作られている。また、図には、連続したダイアモンド製支持材６６と整合用短絡６８が示されている。このような６５０ＧＨｚのＢＷＯ用に設計された結合器の反射減衰量を図１０に示す。

ＢＷＯコレクター設計
前記ヘリックス遅波回路は、前記電子ビーム内の微量の電力のみを抽出する。前記遅波回路を通過後、前記電子ビームは前記電位低減コレクター内で減速し、比較的低いエネルギーで捕捉される。図１１は、図６で最初に見られた磁界の裾引きを示す。図１２に示したコレクター６８、６９によって形成された横方向の静電界と結合したこの磁界が、前記消費された電子ビーム内の電子をそれらのエネルギーの約５％にまで減速させ、前記遅波回路から熱的に絶縁された支持構造上で捕捉する。我々の要求を満たすコレクターの１外形は、その上部半体がその陰極電圧に設定され、その下部半体が、一般的には前記陰極電圧よりも３００Ｖ高くバイアスされたコレクター電圧に設定された分割円筒である。前記６５０ＧＨｚのＢＷＯでの動作について、シミュレーションによる前記コレクター内の電子軌道を図１３に示す。

ＢＷＯ本体の配置
前記遅波回路および前記電子銃をハウジングする前記ＢＷＯ本体は、深掘り反応性イオンエッチングによってパターン化されたシリコンモールド上の畝部のアレイ上にダイアモンドを蒸着することによって形成できる。前記シリコンを除去したとき、後に残ったダイアモンドが箱半体のアレイの形態となる。例示的なＢＷＯハウジング７０の詳細な見取図を図１４に示す。図の左側は、絶縁ダイアモンドの長さ７６によって分離された前記陰極台７２と第１の陽極７４との位置を示す。前記ハッチングされた部分は第２の陽極７８の位置を示す。前記電子銃内の陽極のスロットの詳細をその左に示し、前記遅波回路の出力結合器８０とバレル８２とをその右に示す。また、ホーンアンテナ８４と出力導波管８６とを示す。前記バレル８２は、１００ミクロンの深さを有し、残りの要素は一般に前記６５０ＧＨｚのＢＷＯに要求されるように１９０ミクロンの深さ有する。また、前記ダイアモンド製ハウジング８８と、前記バレルの開口部９０と、前記ヘリックス９２と、前記ホーンアンテナの開口部９４とを備える断面図をも示す。前記バレル８２、導波管８６、ホーンアンテナ８４、陽極のスロット７４、７８、および前記陰極台７２の部分は、全て選択的に金属被覆されている。

前記電子銃のより詳細な説明を、図１５に側面を取り外して示す。参照番号９６および９７は、それぞれ、前記遅波回路の銃およびバレル内で前記ＢＷＯをハウジングし、電気的絶縁を提供する前記ダイアモンド製の箱９８の上部および底部を参照する。図１４に示すような遅波回路は、長さ６ｍｍである。前記配置は、より長い遅波回路のために必要に応じて長さを延伸することができる。前記ハウジングの不可欠な部品として形成された前記出力導波管は、その端部において広がっておりホーンアンテナを形成している。前記陽極およびヘリックス遅波回路のアレイが本体のアレイの下部半体の中に挿入された後、前記上部半体が加えられ、前記構造全体が接合される。レーザーダイシングによって個々のＢＷＯが前記接合されたアレイから取り除かれる。図１４には、組み立てられた前記ＢＷＯの出力端の図もまた示す。前記遅波回路は、前記磁界の軸上に配置されている。前記ＲＦ出力は軸から外れており、前記コレクターを通って前記真空外囲器の端部の窓に向けられている。６５０ＧＨｚのＢＷＯの場合、前記バレル８２の深さは１００ミクロンである一方、前記配置の残りの部分の深さは１９０ミクロンである。当然、前記２つの半体が組み立てられたとき、これらの寸法は倍となるので、前記遅波回路のバレル８２の深さは２００ミクロンであり、前記導波管および電子銃の寸法は３８０ミクロンである。

小型ヘリックスＴＷＴ
前記ＢＷＯについて述べたことの多くは前記ＴＷＴにも適用される。しかし、幾つかの違いもある。前記ＴＷＴは増幅器なので入力結合器を必要とし、その出力が中央部ではなくそのチューブの端部にあるので、導波管を経ずに前記遅波回路から直接出力電力を放射することが可能である。前記非常に高い周波数故に、アンテナ並びに前記導波管を通して擬似光学的に前記ＴＷＴの入力に結合することが可能であるかもしれない。図１６は、前記ＴＷＴ１００を囲む透明な箱としてのダイアモンド製ハウジングを示す前記ＴＷＴ１００の図である。前記ＴＷＴ１００は、導波管１０２と、プローブ１０４と、電界放出陰極１０６と、第１の陽極１０８と、第２の陽極１１０と、ヘリックス１１２とを含む。前記ＢＷＯの見取図は、入力導波管がないことを除けば、非常に類似して見えるであろう。

図２について述べたように、前記ＴＷＴの所望の増幅モードに加えて、好ましくない２つの後進波モードがある。前記ＢＷＯにおいて好ましくない高次モードを抑制するために使用された方法は、前記ＴＷＴには適用できない。前記高次モードが問題である場合、図１７に示すような前記ダイアモンド製支持構造１２２上の共振損失パターン１２０を挿入することによって除去しなければならない。１９７８年、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｅｔｉｎｇ刊、Ｃ．Ｅ．Ｈｏｂｒｅｃｈｔによる「Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｌｏｓｓ ｆｏｒ Ｈｅｌｉｘ Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｔｕｂｅｓ」を参照されたい。

前記ＴＷＴからの出力は、前記ヘリックス遅波回路の不可欠な部品として製造されたヘリカルアンテナを通って前記遅波回路から直接放射される。これによって、高出力ｍｍ波管の主な故障点の１つである、前記遅波回路から前記出力導波管への接続点が省かれるであろう。図１８に示したような前記コンピューターシミュレーションでは、前記構造の半体が切り取られており、前記ヘリカルアンテナ１３０の詳細を示している。また、前記連続したダイアモンド製支持シート１３２と前記ヘリックス遅波回路１３４とが示されている。このアンテナは線形的に分極した電波を生成する。角錐ホーンへの入力としてこれを使用することによって、前記アンテナの指向性を向上させることができる。前記アンテナは、前記真空外囲器の窓の方向に向けられている。

ヘリックス遅波回路の製造
本明細書内で述べた全てのＴＷＴおよびＢＷＯは前記小型ヘリックス遅波回路に基づいており、前記ヘリックスは、リソグラフィー、反応性イオンエッチング、深掘り反応性イオンエッチング、および選択的金属被覆などの微細加工技術を使用して製造される。釣り合いとしては、６５０ＧＨｚのＢＷＯについて、前記ヘリックスの外径は６２．５ミクロンに過ぎない。前記ヘリックスは、ＣＶＤダイアモンド製のシートまたはＣＶＤダイアモンド製スタッドによって支持されている。

前記ヘリックス遅波回路の１製造法を図１９Ａ〜Ｃに図示する。図１９Ａでは、ダイアモンドで被覆されたシリコンウェハー１４４内にエッチングされた円筒状の溝部１４２の中に、金属製のヘリックス半体１４０が蒸着されている。前記溝部１４２の両側には、ダイアモンド製シート１４６もまた示されている。図１９Ｂでは、背面からシリコンで支持された２つのヘリックス半体１４０が位置合わせされ、接合されてヘリックス１４８を形成している。図１９Ｃでは、前記ダイアモンドで支持されたヘリックス１４８の製造を完了するために、前記シリコン１４４が除去されている。

ダイアモンド製薄膜でシリコンウェハーを被覆し、次にリソグラフィーによってエッチングして、前記電子銃およびヘリックスのための開口部のアレイを製造する。前記ダイアモンドで被覆されたシリコンウェハー内に円形の溝部をエッチングして前記ヘリックス外径の所望の形状を形成する。前記円形の溝部が、リソグラフパターン化され、選択的に金属被覆されて、ヘリックス半体のアレイが製造される。これらを接合し、前記シリコンが除去されると、ダイアモンドで支持されたヘリックスのアレイが残る。

前記ヘリックスのバレルもまた、微細加工技術を使用して製造できる。シリコンウェハー内に畝部のアレイをエッチングすることによってモールドが生成される。次に、前記ウェハー上にダイアモンドを成長させ、シリコンを除去する。その結果、ダイアモンド製箱半体が前記チューブ本体として供される。前記チューブ本体には、前記ヘリックス遅波回路のバレルと、前記電子銃の誘電性絶縁体と、入力導波管および出力導波管とが必要に応じて組み込まれる。これらの部品は同一の作業で製造され、ダイアモンドの１つの固体片となるので、これらの位置合わせが保証される。より低周波のｍｍ波装置用の前記本体を製造するためには、より従来的な機械製造技術で十分かもしれない。前記底部の箱半体上に前記ヘリックスのアレイが配置され、前記上部の箱が加えられて、前記アセンブリー全体が互いに接合される。

図１９に示す図は、前記ヘリックス構造の理想化である。図２０の見取図は、その結果として得られる構造を幾分より現実的に示し、前記製造技術によって前記ヘリックスの外形に齎されるであろう現実的な変形を示す。ダイアモンド製支持棒１５０が前記金属製ヘリックス１５２の接合パッドの上に重なる。前記接合材料は、一般に半田ボール１５４を有する。前記シリコン内にエッチングされた前記溝部の形状によっては、その結果として得られるヘリックス１５６の実際の外面が、完全な円形となる可能性は低い。前記ヘリックス１５６の前記電子ビームとの位置合わせは、前記バレルの壁部１６０と位置合わせして前記遅波回路を前記バレルの中心に導く、前記ダイアモンド製支持シート１５０内のデテント１５８によって制御されるであろう。また、前記バレルの内部１６２が金属被覆されていることにも注目されたい。

前記ヘリックスと前記ダイアモンド間、および前記２つの回路半体間の接合を達成するためには、前記構造の各側面に金属製のタブが必要であり、前記接合材料自体が前記構造をさらに変形させる。これら前記理想の場合からの逸脱の程度は、前記製造技術に依存し、また作業の頻度にも依存する。しかし、これら一切は、上記に提示された分析を無効にするものではない。前記ヘリックスの実際の寸法および形状は、ここに採用されたコンピューターシミュレーション技術によって対応することができ、所望の性能を得るために調節できる。

従来の真空電子工学において、装置は熟練工によって数百の構成部品から１つずつ製造される。これらの装置は、量産に適したウェハースケール上で製造されるであろう。ヘリックスのアレイを作るためには２つのウェハーが必要であり、さらに２つのウェハーによって本体のアレイが作られるであろう。前記４つのウェハーが互いに接合され、前記シリコンが取り除かれ、その最終工程において、個々の装置がレーザーダイシングによって分離される。やはり前記６５０ＧＨｚのＢＷＯを例として使用し、４つの直径１００ｍｍのシリコンウェハーから約５０個の装置を製造でき、前記装置の１個当たりのコストを大幅に低減できる。

前記一般的なヘリックス遅波回路は、動作が６０ＧＨｚ未満の周波数に限られ、一般的にはそれよりもかなり低い周波数に限られる。本明細書内に説明したヘリックス回路は、６０ＧＨｚから数ＴＨｚの範囲のＢＷＯまたはＴＷＴとして動作するように設計できる。

前記ヘリックスは、マンドレルの周りに金属の導線またはテープを巻きつけることによる従来の方法では製造されない。これらヘリックスは、反応性イオンエッチング、リソグラフフィー、選択的金属被覆、およびダイボンディングを含むかもしれない微細製造技術を使用して製造される。

従来の高周波ヘリックスにとって、前記導線またはテープの厚みは前記マンドレルの半径のかなりの割合となり、前記ヘリックスの外側に著しい応力を生じさせ、変形および構造的故障を招く。これらヘリックスにはこのような影響はない。

前記ヘリックスは、従来のヘリックスの適切な円形形状を継承するであろう。前記ヘリックスの形状の実際の詳細は、コンピューター的にモデル化されてその最終設計に至るであろう。

効率向上のために前記電磁波の前記電子ビームとの同期を維持するテーパー状の回路を製造するために、前記ヘリックスのピッチは、リソグラフフィー的に制御される。

前記従来のヘリックスは、一般的には３つの誘電体の棒によって円形のバレル内に高圧縮力の下に保持される。このヘリックスは大きな圧縮応力の下になく、前記ヘリックスの半ターン毎に取り付けられた、連続したシートまたはスタッドであってよい化学気相蒸着（ＣＶＤ）されたダイアモンド製支持材に１８０度間隔で接合されている。

従来のヘリックス回路の製造に使用される誘電体の棒は、熱伝導性に比較的劣っている。ここで使用されるＣＶＤダイアモンド製支持材は、既知の限り最も高い熱伝導性を有する。

前記従来のヘリックスと前記誘電体の棒との間の熱伝導性は、両者間の圧縮力の非常に非線形な関数である。この力は温度の関数であるので、高出力動作中に前記バレルが加熱されると、前記チューブの熱容量が低下する。ここで、前記ＣＶＤダイアモンド製支持材は前記ヘリックスに接合されている。この接合全体に亘る熱伝導性は温度の関数ではない。

前記従来のヘリックス真空電子装置において、前記電子ビームは前記ヘリックスの中心を通過する。高周波において、前記ヘリックスの直径は、有意の電流が通過できない点にまで低下する。これらの装置において、前記電子ビームは前記ヘリックスの外側の比較的大きな空間の辺りに向けられている。

前記従来のホロー電子ビームは、不安定になりやすい。ここで使用される電子ビームは、安定した環状アレイに配置された複数のビームレットから成る。

前記マルチビームアレイは、格子付き熱陰極、複数の熱陰極、またはパターン化された電界放出アレイから形成できる。

従来のヘリックス真空電子装置においては、空間電荷力が前記電子を前記ヘリックスに向けて押し、効率を低下させ故障を引き起こすビーム遮蔽が生じる。これらの装置においては、前記ビームレット間の空間電荷力が相互に反発し、従って前記ヘリックスに対して反発する。

前記従来のヘリックス真空電子装置においては、前記ヘリックスを囲むバレルは円形である。この装置においては、製造の容易さおよび不要な動作モードを排除するために、用途によっては前記バレルが正方形であってもよい。

従来の真空電子装置において、前記電子銃および前記遅波回路は別個に製造され、次に互いに溶接される。前記装置の性能にとって重要なこれら２つの部品の位置合わせの精度が、前記溶接作業の公差によって低下する。これらの装置においては、前記低速波のバレルおよび前記電子銃の壁部が単体として製造されるので、精密に位置合わせされる。

前記電子銃の壁部には、陽極の挿入を受け、前記陽極との電気的接続を提供するために、選択的に金属被覆されるときにスロットが設けられる。

前記陽極は、放電加工を使用して形成された金属箔から製造してもよく、またはリソグラフィーおよび深掘り反応性イオンエッチング、またはその他の微細加工処理によって形成された高伝導シリコンから製造してもよい。

従来のヘリックス真空電子装置において、前記バレルは金属から製造されている。この装置においては、前記バレルは選択的に金属被覆されたＣＶＤダイアモンドから製造できる。

従来の真空電子装置において、前記電子銃、遅波回路、および入力／出力結合器は別個の要素として製造され、互いに溶接される。この装置においては、精密な位置合わせを達成するために、これらは前記ＣＶＤダイアモンド製のハウジング内に単体として製造される。

従来の真空電子装置は、熟練工によって、数百の部品から１つずつ組み立てられる。この装置は、４つの１００ｍｍシリコンウェハーを使用した単一作業から５０個もの装置が製造されるであろうウェハースケールの量産で製造され、結果として１個当たりの著しいコスト削減がなされるであろう。

従来のＴＷＴにおいて、前記出力電力は前記遅波回路から導波管または伝送路まで結合している。そのスキームはこの装置にも適合できる。しかし、このＴＷＴは、前記ヘリックス遅波回路の不可欠な部品として製造されたヘリカルアンテナを通って前記遅波回路から直接前記ＲＦ出力電力を放射するように設計されるであろう。

従来のＴＷＴにおいて、前記入力電力は導波管または同軸線を経由して前記装置内に取り込まれる。本装置においては、非常に高い周波数故に、前記入力電力はアンテナまたは擬似光学的結合器を経由して取り込まれる。

前記ヘリカルアンテナの出力は、前記アンテナの志向性を向上させるために、小型のホーンアンテナ内に供給してもよい。

導波管は、前記ＴＷＴの入力または出力伝送路として、および前記ＢＷＯの出力伝送路として供するために、前記装置のバレルの不可欠な要素として形成される。

前記ヘリカル遅波回路の延長として製造されるプローブは、前記導波管の広い壁部内の開口部を通って前記入力または出力導波管に結合する。

前記プローブを前記導波管に整合させるために、前記導波管内に短絡回路が製造される。

前記ＢＷＯについて、前記バレルに周期的な切れ込みを入れることによって、または前記バレルを円形構造ではなく正方形として製造することによって、前記バレルの内部を低導電率材料で被覆することにより、不要な高次モードが抑制される。

前記ＴＷＴに関して、前記ダイアモンド製支持シートに共振損失を加えることによって、不要な高次モードが抑制される。

交差した磁界と電界間で前記電子を捕捉する２段からなるコレクター内で、前記ＢＷＯから出てくる消費されたビームが低エネルギーで捕捉される。前記ＴＷＴから出てくる消費されたビームは、複数段の電位低減コレクター内で捕捉される。

前記ＢＷＯからの出力電力は、前記出力導波管の端部に製造されたホーンアンテナを通って前記ＢＷＯのハウジングから放射される。

上述の説明はただ単に本発明の特定の実施形態の開示を提供するのであって、本発明をこれに限定する目的のものではない。従って、本発明は上述の実施形態のみに限定されるものではない。むしろ、当業者が本発明の範囲内である代替の実施形態を考案できることが分かる。

Claims (18)

1. 電子装置の遅波回路であって、
   らせん状導電性構造であって、当該らせん状導電性構造の外周を電子ビームが流れ、当該電子ビームは当該らせん状導電性構造を囲む環状パターンに配置され、且つ一連のビームレットの形状になっているものである、前記らせん状導電性構造と、
   前記らせん状導電性構造を収容する、円筒形の、一般的に空洞のバレルと、
   前記らせん状導電性構造および前記空洞のバレルに接合された１対の誘電性支持構造と
   を有する遅波回路。
2. 請求項１記載の遅波回路において、前記電子装置は進行波管（ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｗａｖｅ ｔｕｂｅ：ＴＷＴ）を有するものである。
3. 請求項２記載の遅波回路において、前記ＴＷＴから出てくる消費されたビームは、複数段からなる電位低減コレクター内で捕捉されるものである。
4. 請求項１記載の遅波回路において、前記電子装置は、後進波発振器（ｂａｃｋｗａｒｄ ｗａｖｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＢＷＯ）を有するものである。
5. 請求項４記載の遅波回路において、前記ＢＷＯから出てくる消費されたビームは、交差した磁界と電界間で前記電子を捕捉する２段からなるコレクター内に低エネルギーで捕捉されるものである。
6. 請求項１記載の遅波回路において、前記空洞のバレルは、前記１対の誘電性支持構造の周りに対称的に配置された４つの等間隔のスロットを含むものである。
7. 請求項１記載の遅波回路において、前記誘電性支持構造は、ダイアモンドから成るものである。
8. 請求項１記載の遅波回路において、前記空洞のバレルは、ダイアモンドから成るものである。
9. 請求項１記載の遅波回路において、前記回路は、６０ＧＨｚよりも高い周波数で動作するものである。
10. 陰極とコレクターとを有する電子装置の遅波回路であって、
    前記陰極と前記コレクターとの間のらせん状導電性構造であって、当該らせん状導電性構造の外周を電子ビームが流れ、当該電子ビームは、当該らせん状導電性構造を囲む環状パターンに配置され、且つ一連のビームレットの形状になっているものである、前記らせん状導電性構造と、
    前記らせん状導電性構造を収容する、正方形の、一般的に空洞のバレルと、
    前記らせん状導電性構造および前記空洞のバレルに接合された１対の連続した誘電性支持構造と
    を有する遅波回路。
11. 請求項１０記載の遅波回路において、前記電子装置は進行波管（ＴＷＴ）を有するものである。
12. 請求項１１記載の遅波回路において、前記ＴＷＴから出てくる消費されたビームは、複数段からなる電位低減コレクター内で捕捉されるものである。
13. 請求項１０記載の遅波回路において、前記電子装置は、後進波発振器（ＢＷＯ）を有するものである。
14. 請求項１３記載の遅波回路において、前記ＢＷＯから出てくる消費されたビームは、交差した磁界と電界間で前記電子を捕捉する２段からなるコレクター内に低エネルーで捕捉されるものである。
15. 請求項１０記載の遅波回路において、前記連続した誘電性支持構造は、ダイアモンドから成るものである。
16. 請求項１０記載の遅波回路において、前記空洞のバレルは、ダイアモンドから成るものである。
17. 請求項１０記載の遅波回路において、前記回路は、６０ＧＨｚよりも高い周波数で動作するものである。
18. ヘリックス進行波管の遅波回路であって、前記進行波管からの出力電力が当該遅波回路の延長であるヘリカルアンテナから自由空間内に直接放出されるものである、遅波回路。

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