專利名稱：雙平面返波振蕩器的方法和裝置的制作方法
本申請要求下列申請的優先權，即2004年2月6日提交的申請No.10/772,444；2003年8月12日提交的臨時申請No.60/494,089和60/494,095。上述每一個申請都被整體包含到本申請中。
背景技術：
返波振蕩器(BWO)是相干輻射的可調輻射源。在常規返波振蕩器中，電子槍發射電子束到慢波結構中。在電子槍附近提取電子束的輸出功率。由于返波振蕩器寬的調諧范圍，所以返波振蕩器已經被用于多種應用，包括作為用于檢測亞毫米波輻射的外差式接收器中的本地振蕩器。
亞毫米波區段通常從300到3000GHz，其中電磁輻射所具有的波長在1.0和0.1mm之間。在亞毫米波段以上是紅外區，其中波長通常為幾微米，并且電磁波的行為與光波相似。在亞毫米波段以下是毫米波段(從30到300GHz)和微波段(從1到30GHz)。在毫米波段和微波段中，電磁波的行為與普通低頻電流和電壓相似，重要的區別在于回路尺寸與波長具有可比性。在亞毫米波段中，電磁輻射具有微波和光的性質。適合于微波的結構對于亞毫米設備而言太小，而標準光學結構又太大。
除了尺寸的復雜性以外，對于亞毫米波段還有若干個物理限制，這些物理限制是由顯著的大氣衰減和大大增加的電導損耗所強加的。本質出現的分子氣體的振動性和轉動性共振的存在大大地增加了大氣衰減，而金屬表面的粗糙度使電導損耗有顯著增加。因為許多涉及尺寸和損耗的問題在遠低于300GHz的頻率下變得非常重要，所以亞毫米區段經常延伸到100GHz。
通常地，真空電子設備在其中功率和效率是重要系統參數的應用的微波和毫米波區段中占主導地位。但是，在亞毫米區段范圍內，常規微波結構通常是不適用的。固態設備在微波和低毫米波區段中被用作低功率信號源，但是并不適用于亞毫米波段。氣體激光器可以在亞毫米波段中運行，但是它們只能被調諧為離散頻率，并且它們通常是很大的設備。目前，沒有商業上可利用的亞毫米波段中的電子可調諧信號源。
發明內容
因此，本發明的一個目的是提供具有叉指式慢波回路的BWO。
另一目的是提供包括金剛石(diamond)的BWO。
本發明還有另一目的是提供BWO的電子束和慢波回路之間新的空間關系。
本發明的再一目的是提供互阻抗大于1的BWO，其中互阻抗優選大于10，并且最優選為大于100。
本發明的另一目的是提供一種微型BWO，其重量小于10kg，并且優選小于1kg。
本發明還有另一目的是提供用于BWO的叉指式回路。
本發明還有另一目的是提供與電子源集成的BWO結構。
本發明的另一目的是提供電子源和BWO之間的耦合接口。
本發明的另一目的是提供一種集成BWO，其具有作為電子源的場致發射陰極。
本發明還有另一目的是提供具有位于第一平面和第二平面之間的電子束的BWO；第一和第二平面中的每一個定義聚焦電極、第一陽極、第二陽極(或慢波回路)中的至少一個以及一個或多個集電極。
本發明的另一目的是提供一種包括電子源的裝置，其中電子源將電子束引向聚焦電極、第一陽極和第二陽極，從而一個或多個集電極收集電子。
還有另一目的是公開具有叉指式回路的BWO的制造方法。
本發明還有另一目的是提供一種BWO，其中電子源和叉指式回路是由相同金剛石制成的。
在另一實施例中，本發明涉及與慢波回路集成的電子槍。
本發明還有另一目的是提供一種BWO，該BWO與常規BWO相比較需要明顯更低的操作電壓。
本發明的另一目的是提供一種BWO，該BWO具有明顯更高的慢波導和電子束之間相互作用效率。
這些和其它目的將會參照下列附圖進行討論。
圖1A-C是本發明一個實施例的示意圖；圖2A-2B是根據本發明一個實施例的慢波導回路的示意圖；圖3A-3B是根據本發明同一實施例的返波振蕩器的示意圖；圖4示出雙平面叉指式回路的色散關系(ω-β圖表)；圖5示出作為束隧道(beam tunnel)高度的函數的互阻抗；圖6通過示意圖示出了返波振蕩器的示例性結構；圖7示出介電指(fingers)高度的變化對色散圖的影響；圖8示出指高度變化所引起的衰減效應；圖9示出指高度變化所引起的阻抗效應；圖10示出在具有10％帶寬設計的示例性實施例的束寬度上平均的大約12.5微米的電子束阻抗；圖11示出對于βL＝100度，作為中心工作頻率處橫向位置(z)的函數的場強；圖12示出對于βL＝100度，作為y的函數的場強；圖13示出對于本發明具有10％帶寬設計的實施例，作為回路長度的函數的起始振蕩電流；圖14示出對于本發明具有20％帶寬設計的實施例，作為回路長度的函數的起始振蕩電流；圖15示出對于20％帶寬設計，在0.5mA恒定電流的情況下，回路長度對效率的影響；
圖16示出本發明具有10％帶寬設計并使用1.5mA電子束的實施例的電子效率；圖17示出使用具有1.5mA電子束的20％帶寬設計的示例性實施例的電子效率；圖18示出使用具有1.5mA電子束的10％帶寬設計的示例性實施例的輸出功率；圖19示出使用具有1.5mA電子束的20％帶寬設計的示例性實施例的輸出功率；圖20示出Spindt型場發射器的典型發射特征；圖21示出1.8kV(低頻)實施例中的電子槍回路和集電極；圖22示出6.6kV(高頻)情況中的電子槍回路和集電極；圖23示出根據本發明一個實施例的返波振蕩器部件；圖24A-B示出由一對NdFeB50條形磁鐵所產生的磁場；圖25示出根據本發明一個實施例的示例性回路制造過程；圖26示出根據本發明一個實施例的顯示金屬化圖案的橫截面區域；圖27示意地示出根據本發明一個實施例，具有金屬底切(undercut)的雙平面叉指式回路的3-D視圖；圖28A-E示出圖27中所示叉指式回路的場圖(field plot)；圖29是根據本發明另一實施例的叉指式回路的一個周期的場圖；圖30示出具有示例性底切的回路的頂視圖。
具體實施例方式
圖1A-1C是本發明一個實施例的示意圖。更具體地，圖1A-1C示出了一種雙平面叉指式返波振蕩器回路，其中叉指式回路被分成位于間隔很近的平行平面上的兩片。這兩個平面之間的間隔定義了通過電磁波傳播路徑的電子束的路徑。這完全是一種新方法，與傳統系統不同，在傳統系統中，電子束傳播通過位于平面回路上方的損耗波。
參照圖1A所示，電子束105被插入到雙平面叉指式慢波回路的板110和120之間。板110和120中的每一個分別定義回路115和125。電子路徑105被顯示為圓形(round)電子束。在圖1B中更為顯著地示出回路115和125。參照圖1B，應該注意的是，頂板和底板(分別為110和120)是平行的。為了顯示透視圖而添加了表觀角(apparentangle)。圖1C是返波振蕩器100的橫截面示意圖。慢波回路115和125在圖1C中表現為交疊趾(overlapping digit)。如將更加詳細地討論的，在一個實施例中，設備100的主體可以通過金剛石來構造。
在一個實施例中，雙平面數字回路可以被設計為在大約300GHz中運行。在設備100的設計中，第一步是定義最佳性能的回路尺寸。
圖2A和2B圖解了根據本發明一個實施例的回路的計算機生成的模型。如圖2所示，返波振蕩器200被傳導側壁210封裝，并且回路在束傳播方向(x軸方向)上是無限周期性的。傳導側壁210可以由相對介電常數為5.5的金剛石制成。叉指式“指狀物”215也可以由金剛石制成。金屬薄層220可以被沉積在金剛石回路215上。在一個實施例中，該結構可以被金剛石所環繞。但是，傳導層邊界的使用促進了計算不同參數的靈敏度，并且已經證明對工作頻率的影響可以忽略。
圖3A和3B是根據本發明另一實施例的返波振蕩器的示意圖。圖3A和3B中示出了限定設備尺寸的回路示意圖，并且在表1中列出了在所謂的參數研究期間所使用的預定尺寸。這些尺寸參數可以被調整以實現這里所描述的不同設計。
表1 300GHz雙平面叉指式回路預定尺寸(參看圖3)尺寸(微米)vaneridge 33.75vanew 18.4vanel 151vaneth 4diridge 75.5P 36.8xS 18.4
zS 18.4diht 46ridgeht20ygap 25為了執行參數研究，每個尺寸參數都通過與一個系數相乘而變化，該系數在0.5到1.5-或者在某些情況中是2.1-之間。例如，顯示diht變化的圖被標注diht＝1，0.5，0.6等等。這就意味著，diht的標準值(46微米)被乘以1，0.5，0.6等。在其它參數保持為標定值的情況下，通過該變化范圍為每一參數計算同軸互阻抗和衰減的分散。初步研究結果顯示，金剛石高度(Diht)與電子槍的橫向尺寸兼容，從而不需要附加的掩膜和蝕刻步驟。
頻率控制的多個重要參數中的一個是“vanel”(參看圖3A)。圖4中示出了作為vanel變化的相位偏移的函數的頻率繪圖(ω-β圖)。對于所提供的參數范圍，該結構的變化被證明可在高達600GHz的頻率中操作。
互阻抗是確定電子束和慢波回路之間耦合強度的關鍵方面。該阻抗可以用下式來表示K0=∫|E0|2dS2β2PS---(1)]]>其中，|E0|是基本n＝0諧波的輻值，P是總功率，而S是電子束的橫截面積。對于該回路，|E0|是通過在電子束橫截面上在z和y的離散位置處沿著x(束傳播方向)執行空間傅立葉分析來計算的。束橫截面上這些數值的平均值必須被認為是阻抗。
平均值涉及在z和y上的離散空間求和，或者∫|E0|2dSS=ΣxΣy|Ex|2ΔzΔyS---(2)]]>其中，Δx和Δy是離散坐標位置的寬度。在參數變化時，束的橫截面是未知的。因此，為所有變化計算同軸互阻抗。
圖5示出作為束隧道高度的函數的互阻抗。特別感興趣的是，作為ygap(參看圖3A)或束隧道高度的函數的阻抗變化。這個關鍵參數定義了電子束必須通過的空間的尺寸。隨著間隙減小，阻抗增加；選擇25微米的數值作為有效電磁操作和要求低的束攔截(beaminterception)之間的折衷。正如將要討論的，尺寸為25微米的ygap與所提出的電子槍和束聚焦系統的設計是兼容的。計算結果還證明，隨著束隧道高度減少，互作用效率增加，而當隧道高度增加時，束攔截減少。
圖6通過示意圖示出了根據本發明一個實施例的返波振蕩器的示例性結構。其中，該結構可以通過幾個光刻步驟構造。可以通過建立電子槍和慢波回路的模型來進一步簡化該過程。例如，電子槍和集電極絕緣體中的階梯狀結構趨向于減少沿介電表面的電擊穿。后面將會看到，可以設計電子槍，使得槍中的電場大約為20V/mil(8kV/cm)，這遠低于該效應的經典閾值127V/mil或200V/mil。這使得電子槍絕緣體能夠具有平滑表面，從而簡化了用于制造硅模的光刻過程。此外，這里所提供的實施例能夠實現小很多的BWO設計。
參照圖6A中的示例性微型亞毫米BWO 600，正面視圖示出了位于BWO 600一端的冷陰極發射極610，而集電極680位于相對的一端。通過使用冷陰極離子源，諸如Spindt型，場致發射陰極是隨意選擇的，并且使用其它電子發射源，而不脫離本發明的原理。場致發射陰極是優先的選擇，因為其與熱電子陰極相比，可以產生高得多的電流密度。二級電子發射抑制腔630位于電子源附近。它的用途是防止由于沿金剛石表面級聯二級發射而引起的電擊穿。在另一實施例中，電子槍被設計為具有平滑側壁(從而不需要抑制腔)。
可以通過常規裝置將電子源(例如，電子槍)連接到慢波回路。
例如，可以使用機械裝置將電子槍連接到慢波回路。在一個實施例中，整個電子槍和慢波回路可以被制造成一個結構，從而消除對準的問題。
聚焦透鏡640位于BWO的輸出端用作為準光學傳輸系統的入口元件。BWO還可以通過采用傳統微波技術與標準WR-3波導耦合。在圖6中波導是不可見的。
叉指式波回路660被顯示為具有向回路中心突出的指狀物625的集成單元。在一個實施例中，叉指式波回路(或慢波回路)在其裝配之前被制造成互補的兩部分。叉指式回路的主體可以由優越(exceptional)導熱率的材料制成。示例性的材料包括人造金剛石。因為人造金剛石提供了實現有效熱傳導的高導熱率，所以該材料是特別合適的。金剛石還具有高的電介質強度，以承受電子槍電壓，并且具有很低的損耗角正切，以使RF損耗最小化。
為了提高性能，叉指式回路的某些表面可以被涂上導電材料，諸如金、銀或銅。金剛石結構和傳導涂層(例如銀，鉻或鉬)之間可以插入可選涂層。可以提供涂層，以增強金和金剛石結構之間的連接。
二級電子發射抑制腔630包括波紋金剛石(corrugateddiamond)，這樣構造是為了防止級聯二級電子發射引起電擊穿。同時該抑制腔可以與電子槍和慢波回路同時制造。
圖7示出介電指的高度變化所引起色散圖的影響。該曲線的斜率表示在回路上傳播的波的群速，而從原點到曲線上的一點所繪制的直線斜率確定相速，直線越陡，則電壓越高。相速線與色散曲線的交點確定了設備的工作點和電子速度，并且因此確定了電子束的電壓。
圖8示出指高度(參看圖6中的指高度625)所引起的衰減變化。參照圖8，可以看出，通過增加指高度就減少了較高頻率處的衰減。這是有利的，因為這使得能夠增加該參數以與電子槍的側壁高度相符合，從而消除制造工藝中的一個光刻步驟。
前面的圖示出了當每腔相移超過60度到80度時，群速變成負值。因此，當每腔相位移超過該值時，波的群速在與電子相反的方向傳播；因此，使用術語返波。色散圖的頂點通常表示不穩定工作的點。這在圖9中通過色散曲線頂點附近的接近垂直的阻抗繪圖說明的。
在一個示例性實施例中，使用參數掃描結果來設計雙平面叉指式回路以工作在為阻抗優化的具有10％和20％帶寬的300GHz處。在設計和優化過程中下列尺寸是固定的ygap＝25微米
vaneth＝4微米0.5ygap+vaneth+diht＝100微米；(diht＝83.5微米)此外，最大電壓被設定為大約6000V，而每周期的最小相移被設定為大約85度。完成兩個實施例，都具有300GHz的中心頻率。第一實施例具有10％的帶寬，在285-315GHz的頻率范圍中運行。第二實施例具有20％的帶寬，在270-330GHz的頻率范圍中運行。下面的表2中列出了每個示例性設計的回路尺寸，如下所示表2 300GHz 雙平面叉指式回路尺寸參數10％BW設計20％BW設計vaneridge 44.0 44.0vanew 17.2 16.4vanel 183.4 175.0vaneth 4.0 4.0diridge 87.5 87.5p 34.4 32.8xS 17.2 16.4zS 22.3 21.3diht83.5 83.5ridgeht 23.0 23.0ygap25.0 25.0為了定義設備的電子束要求以及估計效率和起始振蕩電流，可以計算關于電子束平均的互阻抗(等式1和等式2所示)。計算平均阻抗作為束寬度的函數(z方向)，同時將束高度(y方向)保持為大約12.5微米的常數。所有模擬都采用矩形束。圖10中為多個頻率繪出10％帶寬設計的平均阻抗，其作為束寬度的函數。零寬度對應于同軸(on-axis)阻抗。頻率對應于βL＝70，80，100和110度的值。因為場增加接近指，所以12.5微米的情況略高于同軸的情況。隨著束寬度增加，阻抗相當緩慢地下降，這表明設備可以以矩形或片狀(sheet)束非常有效地運行。
圖11中為y在-6.25和6.25之間的情況繪出了Ez場的n＝-1空間諧波的輻值，作為z的函數。束中心被假定為在y＝z＝0處。場在z方向是對稱的，因此圖中僅顯示了z值為正的部分。圖12示出了z值在0和80微米之間的情況中場與y的圖。雖然場在某些y值處隨著z的增加而增加，但是對于某些y值，場也隨著z的增加而減少。結果是平均值隨著z的增加而減少。
也計算出近似的起始振蕩條件。圖13中繪出了10％帶寬設計的起始振蕩電流，而圖14中繪出了20％設計的起始振蕩電流，作為總回路長度I的函數。圖13-14表示，對于10％和20％帶寬設計實施例，將束流(beam current)限制在0.5毫安、將回路長度限制在5毫米可能不適合于。此外，為了實現最大效率，可能必須以兩倍的起始振蕩電流運行。回路長度可以被隨意擴展。從圖15中可以看到，從增加效率的角度看，選擇增加束流可能更有吸引力的，圖15中示出了0.5mA電子束的計算結果。從圖13-14中所示的結果中可以看出，使回路長度最小化可以導致電子效率的最大化。例如，在l大約為5mm的情況下，圖13和圖14示出，在整個帶寬上，可能需要大約1.5mA的電流，以便以兩倍的起始電流運行。圖16-19中為1.5mA電流繪出了電子效率和輸出功率。可以看出，窄帶設計可以傳遞較多的功率。這里所公開的設計數據庫使本領域普通技術人員能確定對于任何束流值的最小回路長度。
電子槍和集電極設計能夠提供上述300GHz設計中所指定的電流的電子槍設計是通過使用EGUN編碼(參看“SLAC-166”，W.B.Harmammsfeldt，Standford Linear Accelerator Center，1973)來執行的。圖21和22中示出了結果。電子槍被設計以與指定尺寸和所提出的制造工藝限制相符合，其中作為光刻工藝，所提出的制造工藝只考慮垂直和水平表面。正如參照圖25所要討論的，電子槍可以被設計為只產生水平和垂直表面。電子槍被設計成浸在恒定磁場中操作。設計還要受沿著不超過20V/mil(8kV/cm)的真空內絕緣表面的電壓限制控制。最為重要的是，為了滿足上述典型運行條件，電子槍必須使傳遞電壓范圍為1.8kV到6.6kV的束通過只有25微米高的束隧道。
為電子槍設計所選擇的陰極是Spindt型薄膜場發射極。該陰極類型對于傳遞低總電流的小陣列表現高達2000A/cm2的電流密度。已經觀察來自單個發射端(tip)的100μA的發射；但是，這對于數千個發射端的大陣列會大大減少。前面的分析表明(i)在10％和20％帶寬上可得到相當均衡的恒定輸出功率(圖18-19)；(ii)場配置對于片狀電子束的應用是有利的(圖11)；(iii)通過更短的回路可以獲得更高的輸出功率和效率，但是需要更高的起始振蕩電流(圖13-19)；(iv)更高的互阻抗和更高的衰減在頻帶的高端相互競爭(圖8和9)；以及(v)更高頻率的回路可容易地縮放(圖4)。
場發射極產生具有顯著橫向速度的電子束。已經確定橫向能量是具有FWHM值的近似高斯分布，其中FWHM值是由柵極電壓和歸一化到特定工作點的幾何因子的乘積確定的。所利用的發射模式的特征是圖20中所示的發射曲線。這里所公開的應用是針對76V，而不是64V的FWHM幾何因子進行的。構造一種包括99％的束流并且被引入到EGUN編碼中的發射模型。束被傳輸通過25微米的束隧道。對于5mm回路長度，可以使用0.7mA的最小起始振蕩電流。可以通過增加束寬度使束流加倍，而不增加電流密度或磁場。
在一個按照這里所公開的原理的實施例中，電子槍在大約1.8到6.6kV的電壓范圍上提供恒定電流的束。電子槍還可以被形成為CVD金剛石慢波回路主體的集成部分。電子槍被設計成具有兩個陽極。第一陽極保持在對于最低電壓(這種情況中是1.8kV)陰極的恒定電勢，使得電子發射不受束電壓變化的影響。慢波回路用作第二陽極，并且其電壓相對于陰極在1.8kV到6.6kV的范圍內變化。
上面所提到的慢波回路分析要求1.5mA的電子束，從而在所有情況下都實現兩倍起始振蕩電流的最小值。在用EGUN試驗多次以后，采用包括具有1.5微米間距的2×50結構的100個端陣列的陰極。間距和每端電流15μA都在典型地通過SRI所實現的參數內。長方形(oblong)陰極利用慢波回路內的場分布，以提供所需電流，同時限制電流密度，這有利于束傳輸。如果有必要，慢波回路幾何形狀可以允許陰極的寬度至少為其兩倍。必須將場發射極切割，以適合由BWO主體末端所形成的光刻控制的尺寸，從而將發射極準確定位在電子槍中心，以便傳輸通過慢波結構。在一個實施例中，BWO主體的光刻確定的橫向尺寸被用來對準陰極。在另一實施例中，聚焦電極可以與柵極接觸，而基極接觸可以在陰極后部進行。圖21中的EGUN生成圖示出了1.8kV實施例的電子槍設計，而圖22示出了6.6kV實施例的電子槍設計。
圖21-22中的垂直比例被夸大了。該圖的底部是電子槍軸的中心線2100(2100指向場發射陰極的位置)。因為該結構和電子束是矩形形狀，所以使用直角坐標來構造模型。由于EGUN是二維編碼，所以該模型可以計算垂直效應和軸向尺寸；可以以無限延伸的橫向尺寸構造模型。如上所述，為電流密度建模。參照圖23可以更好地理解圖21和22。
參照圖21，該模型模擬了低壓、低頻情況中的電子束軌道，其中第一陽極和第二陽極近似處于相同的電勢。在圖21中，2100表示陰極；2114示出聚焦電極的位置；2113是第一陽極；2116是第一陽極和第二陽極(可互換地，慢波回路)之間的介電空間；2115是慢波回路；垂直線2112和2117分別表示陰極和第一陽極之、以及慢波回路和集電極之間的等勢線；2118是金剛石介電支座(standoff)；2121指集電極，而2120表示電子束包絡。最后，2119示出慢波回路和集電極之間的絕緣。在圖21中，間距“1/2 ygap”是底端邊緣2101到第一陽極底部2113之間的距離。
電子束的包絡包含99％的束流。電子槍和慢波回路被浸入在5000高斯的均勻場中。聚焦電極、第一陽極和回路與中心線的距離相同，即1/2ygap(參看圖3)。同樣地，圖21-22的頂線與中心線間隔的距離等于1/2ygap+diht+vaneth＝100微米。圖22示出與圖21相似的模擬，區別在于圖22中示出了6600V的高頻率實施例。
陰極可以安裝在圖21-22的左側，并且可以與聚焦電極相對放置，其中聚焦電極提供與陰極柵極(cathode gate)的電接觸，并且用于整形電子束。在圖21和圖22中，聚焦電極可以位于圖的最左端，而集電極可以位于右端。
在一個實施例中，電子槍的聚焦電極可以與場發射極的柵極接觸，而場發射極的后部可以定義基極連接。集電極并不是光刻形成的，因此可以被設計成凹狀結構以增強對廢束的俘獲。集電極被連接到圖最右端的金剛石絕緣表面。集電極已經被加偏壓到陰極與回路的電勢的90％。控制磁場可以攜帶電子束通過慢波回路，并且進入到集電極。集電極可以用各向同性(POCO)石墨制造，各向同性石墨由于其非常低的二次電子產生率而常用在空間行波管(TWT)的制造中。集電極可以簡單地是一塊具有大高寬比孔的石墨，或者可以是具有例如50V偏壓用于抑制二次電子的兩塊平板石墨。
磁路-在一個實施例中，磁場可以通過兩個平行的條形磁鐵接收電子束，以電連接至BWO和RF輸出，從而到達結構的側面。磁路可以由兩塊在每一端具有磁極片的矩形條形磁鐵形成，并且由鋁或不銹鋼框架支撐。圖23中示出了部件BWO電子槍、磁替、慢波回路和集電極的一個示例性實施例的視圖。參照圖23，分解圖示出條形磁鐵3010，其具有插入在其之間的配對雙平面叉指式結構(回路)3040。Spindt陰極3030與集電極3020相對放置，以提供電子束(未示出)。在一個實施例中，磁鐵由非磁性框架(未示出)支撐，其中非磁性框架將BWO定位在磁場的中心。可以使磁性材料更厚，以增加磁通量。在另一實施例中，磁體之間的最小間距可以是2.5mm，該間距可以容納標準WR3波導的短部分。
參照圖23中的實施例，在配對雙平面結構3040上形成支架結構。在一個實施例中，該結構被制造成互補的兩部分，然后被結合以形成BWO。參照圖23中的分解圖，在聚焦電極3009和第一陽極3012之間顯示金剛石介電支座3011。第一和第二陽極之間的介電絕緣被標識為3013。慢波回路3015被顯示為多個被涂有傳導材料的叉指式結構(指狀物)。慢波回路3015還可以用作第二陽極。可以通過改變第一陽極和慢波回路之間的電壓差來控制振蕩器的頻率。條形磁鐵3010接受裝配后的BWO，其中裝配后的BWO在圖23的示例性實施例中包括Spindt陰極3030和集電極3020。第一和第二陽極之間的電壓差越低，振蕩器的頻率就越低。
參照圖23的裝配圖，在電子通過第一陽極3011和慢波回路3015的互補結構以后，被集電極3020所俘獲。集電極3020可以被偏壓到電勢與陰極比與第一或第二陽極更接近。當電子到達集電極3020時，產生較少熱量，并且電子束的大部分功率被集電極3020俘獲。在一個示例性實施例中，Spindt陰極接收-6.6kV，第一陽極被設定為-4.8kV，而慢波回路3015被接地到零電勢。圖23所示的實施例與常規設備相比的特別有利之處在于，其顯著地更小。在一個實施例中，設備被測量為大約30gm。(常規設備大約為20kg)。
通過使用MAXWELL編碼(Maxwell，Ansoft Corporation，Pittsburgh，PA)來這樣的計算，即該計算表明實現所場的需磁可行性，并且提供對磁體重量的估計。磁路的重量被確定為大約29克。在圖24中示出通過該示例性結構獲得的磁場。具體地，圖24(A)示出了18mm長，5.0mm寬，5.25mm厚，并且間隔2.5mm的一對NdFeB50條形磁鐵所產生的磁場。圖24A的輪廓圖中僅示出0.35和0.75特斯拉(3500-7500高斯)之間的磁場。圖24B中示出同軸磁場。
進行附加的計算，以設計微型300GHz返波振蕩器，在至少10％的頻率范圍內電壓可調，具有至少10mW的功率輸出。作為試驗的結果，發現，功率輸入小于1.275W的情況下，在300GHz處在20％調諧范圍上可以獲得超過20mW的功率輸出。對于這些實驗，通過使用SmCo28(在電子管工業中通常使用的材料)和NdFeB50作為永磁體，對回路進行分析。普通真空設備在操作中達到相對高的溫度，從而需要使用具有優秀溫度穩定性的磁性材料，諸如SmCo。但是，金剛石BWO的低散熱將導致磁路的可忽略的加熱。NdFeB提供更高的磁場，更大的機械強度，并且可以被制造成SmCo更大的形狀。它可以用于高達200℃的溫度，并且經常在汽車應用中使用。
制造-在2004年2月6日提交的美國專利申請10/772,444(標題為“Free-Standing Diamond Structure and Methods”)中公開了適合于與本發明結合使用的返波振蕩器的示例性制造工藝，該申請的公開內容在這里作為背景信息而被全部包括進本申請。
圖25示出根據本發明一個實施例的示例性回路制造工藝。圖25中的步驟1是生成金剛石結構的硅底片(silicon negative)。除了其它方法，該步驟可以通過利用絕緣硅(SOIsilicon on insulator)晶片來實現。SOI晶片是一種硅晶片，其中二氧化硅層被嵌入。氧化層的深度通常可以在寬范圍尺寸上被控制到一微米的公差(或另一預期公差)。通過使用光刻，如步驟1所示地對晶片構圖，以產生雙級硅結構。氧化層可以用作停止蝕刻層，其中停止蝕刻層可以導致晶片上均勻分布的平滑表面，其中通過步驟2在該表面上沉積化學汽相沉積(CVD)金剛石。可以通過單一光刻操作產生大量硅模。
在步驟2中，可以在硅模上沉積金剛石。由步驟3中所涂的環氧涂層來結構地支撐金剛石，而在步驟4中，硅襯底將通過化學方法被蝕刻，以暴露金剛石結構。可以選擇性地金屬化三維雙平面叉指式結構。圖25中示出需要金屬化的表面。通過物理汽相沉積工藝來執行金屬化。可以使用掩膜技術來確保叉指式回路的垂直表面和整個結構的水平底座保持不被金屬化。
可以通過在沉積前應用物理蔭罩(shadow mask)來實現將結構的底座掩膜以防止蒸發物。聚焦電極與第一陽極的間隔(2.4mm)和第一陽極與第二陽極的間隔(5.4mm)允許在這些區域使用物理蔭罩。可以通過使用顯微鏡執行蔭罩布置，以確保底座被完全覆蓋。物理蔭罩的使用可以在底座上產生一些沉積材料，這些沉積材料將在沉積以后通過激光被清除。
慢波回路的垂直壁和水平底座區域也可保持不被金屬化。慢波回路中趾之間的間隔阻止了蔭罩的使用或光掩膜上的旋轉(spun)。為了確保慢波回路頂面以下區域保持不被金屬化，通過濺射沉積或在例如具有約10-3Torr部分壓力的Ar氣背景中的對抗性蒸發(resistiveevaporation)，來進行沉積。提高的壓力范圍處Ar中的沉積將實現三維結構-諸如聚焦電極以及第一和第二陽極-的完全涂覆，同時避免了頂表面以下慢波回路內區域被涂覆。眾所周知的是，提高的壓力環境中的物理汽相沉積導致三維結構的保形涂覆。同時，慢波回路中的叉指式間距小于所需的最小間距，以允許蒸發劑滲入到該區域中。
提高的背景中的金屬沉積可能得到密度減少的金屬層和潛在的差的粘附。在提高的Ar背景中的沉積期間，可能有必要施加1-3kV范圍內的DC偏壓，以實現離子鍍效應。這將確保金屬層與金剛石叉指式結構表面的良好粘附。可能有必要沉積Cr中間層以提高粘附。
步驟6示出回路半部分(circuit halves)的連接。該過程可以通過液晶制造技術實現。通過使用步進電機驅動設備，使兩個回路半部分靠近和對準。對于高度發達的制造工藝，例如計算機顯示，在15英寸上可以保持3微米的公差。在一個實施例中，然后通過使用工業上已經為此特定目的開發的高粘性(tack)、低揮發(out-gass)的UV固化膠(cured glue)將兩個結構連接起來。可以通過使用絲網印刷或膠印工藝來涂膠。對于BWO回路所需要的小結構，預測小于1微米的對準公差。對于大批量生產，可以獲得用來改進公差的加工。在一個實施例中，電子槍可以被加工成為慢波回路的部分，而在另一實施例中，可以在慢波回路已經被裝配之后連接電子槍。
可以加工匹配的硅結構，以產生匹配的CVD金剛石回路半部分。
步驟1中所示的級之間具有相同間距的兩個回路半部分并不產生希望的結構。如步驟6所示，回路半部分之間可以有隔離件(spacer)。為了實現希望的尺寸，隔離件可以等于束隧道高度加上兩倍的金屬化厚度。這將通過加工兩層SOI晶片來實現，從而為另一回路半部分產生三層硅模。在一個實施例中，BWO是在真空室內被操作的。在另一實施例中，為了對稱并為了獲得在同一光刻過程中由同一晶片制造兩個半部分的優勢，這兩個半部分由兩層SOI晶片制造。在另一實施例中，BWO被配置以具有帶有金剛石壁的真空密封結構。
上述制造步驟相對于常規真空電子設備工藝有重大的不同，其中常規真空電子設備工藝部分地基于容易被微量污染物弄壞(poison)的熱電子源所強加的高真空要求。常規設備還處理相對高的功率，并且必須耐高溫。這里所公開的BWO實施例可以消耗最多大約1瓦特的功率，并且將利用不易弄壞的場發射陰極。通過使用金剛石-已知的熱導率最高的材料一從設備傳導所消耗的功率。雖然典型的真空電子設備在高溫下運行，但是這里所公開的實施例實質上處于環境溫度中。在真空中的材料都與環境兼容。返波振蕩器可能要求高的工作電壓，這將要求保持足夠的真空以避免氣體擊穿。
圖26示出根據本發明一個實施例的金屬化圖案的橫截面區域。可以應用適當的掩膜技術以產生所需圖案。
圖27是根據本發明一個實施例的雙平面慢波回路的橫截面示意圖。參照圖27，圖示的BWO 2700具有雙平面叉指式回路2710。在一個實施例中，雙平面叉指式回路的每一平面包括金剛石。圖27中還示出沉積在叉指式回路的指狀物上的傳導涂層2720。雖然多種涂層成分可被用于該應用，但是在一個實施例中，涂層是金、銀、銅、鉻或這它們的混合物。
圖28A-E示出圖27所示的叉指式回路的一個周期的電場和磁場以及表面電流的箭頭繪圖。圖28A-B從不同視點示出電場，圖28C示出磁場，而圖D和圖E從不同視點示出表面電流。最后，圖29是根據本發明另一實施例的叉指式回路的一個周期的表面電流輪廓圖。
制造公差和金底切-在回路指狀物上沉積金膜期間(參看圖25中的步驟5)，可能希望不允許金屬沉積到指狀物的側面。可以考慮在指狀物邊緣上金屬的底切。假設底切在每個側面上是0.5微米。圖30中示出具有底切的回路的頂視圖，該圖指示了底切邊緣的位置。在圖30中放大了底切(2微米)以便顯示底切的位置。所預測的0.5微米底切的影響可能不重要。
功率平衡-在下面的表3中為10％帶寬實施例示出了300GHz返波振蕩器的功率平衡的極限。雖然功率輸出在頻率上相對均勻，但在相同范圍的頻率上，直流功率輸入和RF損耗是變化的。
表3-20％BW實施例的典型功率平衡研究
示例性實施例的典型功率平衡如下所示·功率輸出在1.8kV是24mW，在6.6kV是30mW；·RF回路損耗在1.8kV是53mW，在6.6kV是137mW；·束攔截(1％)在1.8kV是27mW，在6.6kV是99mW；·集電極耗散(90％效率)在1.8kV是260mW，在6.6kV是963mW；·總功率耗散在1.8kV是340mW，在6.6kV是1.199W；·總效率在1.8kV是6.6％，在6.6kV是2.4％。
600GHz BWO的設過-這里所公開的關于300GHz的原理對于中心在600GHz的10％和20％帶寬BWO重復。表4中所示的600GHz情況的尺寸差不多是表2中所示的300GHz設計的一半。但是，所使用的陰極與300GHz情況中的完全相同。最不利的情況中的兩倍起始振蕩電流大約為1.8mA。束隧道內可以包含大約99％的束，但是磁場必須被增加到9000高斯。
表4-600GHz回路尺寸(微米)
為減小橫向速度而開發具有芯片上聚焦的場發射陰極可增強該設計。
雖然本發明的原理已經參照示例性實施例被公開，但是要注意的是，本發明的原理并不局限于那些實施例，并且原理中包括這里沒有具體公開的任何改變或變動。
權利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種返波振蕩器，包括用于接收從電子源發射的電子的輸入端、叉指式回路、以及用于接收所述從電子源發射的電子的電子集電極；其中所述叉指式回路定義雙平面回路。
2.一種用于提供亞毫米波長處振蕩的便攜式返波振蕩器，包括電子束發生器，包括定向電子源、電子集電極、以及用于在所述集電極方向上加速從所述電子源發射的電子的裝置；用于聚焦所述電子束的磁場聚焦裝置；設置在所述源和所述集電極中間的慢波回路，所述回路具有人造金剛石的雙平面叉指式周期幾何結構，其中所述雙平面叉指式周期幾何結構與所述束相鄰的表面被金覆蓋，所述叉指式結構包括兩組趾，每一組位于不同平面中，所述電子束在所述兩個平面之間通過，從而與在所述慢波回路中由所述束感應的電磁能的全傳播強度相互作用；以及用于電調諧振蕩頻率的控制回路。
3.根據權利要求2所述的返波振蕩器，具有適于手持操作的尺寸和重量。
4.根據權利要求2所述的返波振蕩器，包括用于使來自所述源的在所述集電極方向上被加速的電子在已經通過所述慢波回路以后減速的回路；并且其中所述集電極的電壓相對于所述源的電壓被降低。
5.根據權利要求2所述的返波振蕩器，其中所述平面是平行的。
6.一種用于提供亞毫米頻率處振蕩的便攜式返波振蕩器，包括
電子束發生器，包括電子源、電子集電極、以及用于朝向所述集電極加速從所述源發射的電子的裝置；設置在所述源和所述集電極中間的慢波回路，所述電子束通過所述慢波回路，所述回路具有非導電材料的雙平面叉指式周期幾何結構，其中所述雙平面叉指式周期幾何結構與所述束鄰近的表面被金屬化；用于聚焦所述電子束的磁場聚焦回路；以及用于電調諧振蕩頻率的控制回路。
7.根據權利要求6所述的振蕩器，其中所述電子源是定向的。
8.根據權利要求6所述的振蕩器，其中所述控制回路包括用于選擇所述源的電壓的裝置。
9.根據權利要求6所述的振蕩器，其中所述聚焦回路充分地防止聚焦束撞擊所述慢波回路。
10.根據權利要求6所述的振蕩器，其中所述電子束在所述雙平面慢波回路的兩個平面之間通過。
11.根據權利要求6所述的振蕩器，其中所述叉指式回路包括在兩個不同平面中每一個上的一組趾。
12.根據權利要求11所述的振蕩器，其中所述平面是平行的。
13.根據權利要求6所述的振蕩器，其中所述電子束穿過在所述慢波回路中由所述束感應的電磁能的全傳播強度。
14.根據權利要求6所述的振蕩器，其中所述結構的非導電材料是金剛石。
15.根據權利要求14所述的振蕩器，其中所述金剛石是人造的。
16.根據權利要求6所述的振蕩器，其中所述金屬化表面的金屬是從由金、銀、白金和銅所組成的組中選擇的。
17.一種用于提供電磁振蕩的設備，包括電子束發生器，包括電子源、電子集電極、以及用于在所述集電極方向上加速從所述源發射的電子的裝置；設置在所述源和所述集電極中間的慢波回路，所述電子束足夠接近所述慢波回路地穿過，以在所述慢波回路中感應電磁波振蕩，并且與所述感應的振蕩相互作用，以提供電磁振蕩；改進措施，其中所述慢波回路是雙平面的。
18.根據權利要求17所述的設備，其中所述源是定向的。
19.根據權利要求17所述的設備，其中所述振蕩器是返波振蕩器。
20.根據權利要求17所述的設備，其中所述振蕩是亞毫米的。
21.根據權利要求17所述的設備，具有適于手持操作的尺寸和重量。
22.一種用于產生亞毫米波長電磁振蕩的設備，包括電子束發生器，用于在相關慢波回路中感應電磁振蕩，改進措施，其中所述電子束與所述感應的電磁振蕩的全傳播強度相互作用。
23.根據權利要求22所述的設備，具有適于手持操作的尺寸和重量。
24.一種用于提供亞毫米波長電磁振蕩的設備，包括電子束發生器，用于在相關慢波回路中感應電磁振蕩，改進措施，其中所述電子束與所述感應的電磁振蕩的漸消形式相互作用。
25.根據權利要求24所述的設備，其中所述振蕩器是返波振蕩器。
26.一種用于提供電磁振蕩的設備，包括用于在相關慢波回路中感應電磁振蕩的電子束發生器，其中所述相關慢波回路位于所述源和所述集電極之間，改進措施，其中所述電子束與所述感應的電磁振蕩的全傳播強度相互作用；以及其中所述慢波回路是非螺旋狀的。
27.根據權利要求26所述的設備，其中所述振蕩是亞毫米的，并且所述設備是便攜式的。
28.一種用于提供亞毫米電磁振蕩的設備，包括電子束發生器和慢波回路，改進措施，其中所述設備的效率大于1％。
29.根據權利要求28所述的設備，其中所述振蕩器是返波振蕩器，并且是便攜式的。
30.一種用于提供亞毫米波長電磁振蕩的設備，包括電子束發生器、用于聚焦電子束的磁場聚焦裝置和慢波回路，改進措施，其中所述設備是便攜式的。
31.根據權利要求30所述的設備，具有適于手持操作的尺寸和重量。
32.一種用于提供亞毫米波長電磁振蕩的設備，包括電子束發生器、用于聚焦電子束的磁場聚焦裝置、和慢波回路，改進措施，其中所述設備的重量小于500克。
33.根據權利要求32所述的設備，其效率大于約1％。
34.一種用于提供電磁振蕩的設備，包括電子束發生器、用于聚焦電子束的磁場聚焦裝置、和慢波回路，其中所述慢波回路具有非導電材料的叉指式結構，其中所述叉指式結構具有被金屬化的與所述束鄰近的表面，改進措施，其中所述非導電材料是人造金剛石。
35.根據權利要求34所述的設備，其中所述振蕩器是亞毫米返波振蕩器。
36.一種用于提供電磁振蕩的設備，包括電子束發生器、用于聚焦電子束的磁場聚焦裝置、和慢波回路，其中所述慢波回路具有非導電材料的叉指式結構，所述叉指式結構具有被金屬化的與所述束鄰近的表面，改進措施，其中所述非導電材料是人造材料。
37.根據權利要求36所述的設備，其中所述材料是金剛石。
38.根據權利要求36所述的設備，具有適于手持操作的尺寸和重量，并且效率大于約1％。
39.一種用于提供電磁振蕩的設備，包括電子束發生器、用于聚焦電子束的磁場聚焦裝置、和慢波回路以及集電極，改進措施包括用于使來自所述源的、在所述集電極方向上被加速的電子在已經通過所述慢波回路以后被減速的回路，以及所述集電極的電壓相對于所述源的電壓降低。
40.根據權利要求39所述的設備，其中所述振蕩器是返波振蕩器，并且是便攜式的。
41.根據權利要求39所述的設備，其中所述慢波回路是雙平面的，并且是由人造材料制成。
42.一種用于提供亞毫米波長振蕩的返波振蕩器，所述振蕩器具有適于手持操作的尺寸和重量，并且在至少1％的效率下產生至少1毫瓦的功率，所述返波振蕩器包括電子束發生器，包括定向電子源；電子集電極，具有相對于所述源的電壓降低的電壓；和用于在所述集電極方向上加速從所述源發射的電子、并且用于在這些電子已經穿過所述慢波回路以后使來自所述源的電子減速的裝置；設置在所述源和所述集電極中間的慢波回路，所述回路具有人造金剛石的雙平面叉指式周期幾何結構，其中所述雙平面叉指式周期幾何結構的與所述束鄰近的表面被從由金、銀和銅組成的組中選擇出的金屬覆蓋，所述叉指式結構包括位于不同但平行的平面上的兩組趾，所述電子束從所述兩個平行平面之間穿過，以與所述束在所述慢波回路中所感應的電磁能的全傳播強度相互作用；以及磁場聚焦裝置，用于聚焦所述電子束，以充分防止所述束與所述慢波回路發生碰撞，用于電調諧振蕩頻率的電壓控制回路。
權利要求
1.一種返波振蕩器，包括用于接收從電子源發射的電子的輸入端、叉指式回路、以及用于接收所述從電子源發射的電子的電子集電極；其中所述叉指式回路定義雙平面回路。
全文摘要
本發明涉及亞毫米返波振蕩器(100)。本發明尤其涉及具有雙平面叉指式回路(115，125)的微型返波振蕩器(100)。在一個實施例中，叉指式回路(115，125)包括金剛石，并且被涂上一層導電材料。
文檔編號H01J25/46GK1871764SQ200480029002
公開日2006年11月29日 申請日期2004年8月12日 優先權日2003年8月12日
發明者小詹姆斯·A·戴頓 申請人:曼哈頓技術有限責任公司