用光電導寬帶隙半導體作可變電阻器來調製電信號的系統和方法

2023-07-07 09:28:56 1

專利名稱：用光電導寬帶隙半導體作可變電阻器來調製電信號的系統和方法
技術領域：
本發明涉及通常用作固態開關的光電導寬帶隙半導體材料，尤其涉及使用光電導 寬帶隙半導體材料作為工作在非雪崩模式下的可變電阻器，來產生經調製的電信號以用於 例如微波傳輸或調製帶電粒子束之類的高頻調製應用中。
背景技術：
寬帶隙半導體是具有高擊穿電壓的材料，因此經常被作為用於高溫的固態開關和 涉及大電場的功率開關應用來使用。雖然被認為是「寬」的帶隙範圍的準確閾值常取決於 應用，但是寬帶隙半導體材料通常被認為是帶隙大於大約1. 6或1. 7eV的那些半導體材料。 而且，這樣的寬帶隙材料已知是光電導的，也就是說具有響應光照來增大電導率的特性。示 例類型包括碳化矽、氮化鋁、氮化鎵、氮化硼以及金剛石。尤其是氮化鎵和碳化矽是廣泛所 知的非常適於這種開關應用的耐用材料。已知各種脈衝功率應用使用這樣的光電導寬帶隙半導體材料(以下稱為 「PWBSM」)來作為光電導固態開關(PCS)。用作PCS的典型材料是矽或砷化鎵，但由於有限 的光電流電流容量，需要工作在雪崩或所謂的高增益模式下來產生可用的能級。在雪崩模 式操作中，裝置是雙穩態的(即，無論是「關閉」或是「開啟」)並且被光學地觸發「開啟」和 保持「鎖定」直到電流停止。使用脈衝功率的一個示例應用是在高功率微波發生領域中，這樣的光電導材料也 被用作光電導固態開關。然而，由於它們工作在雪崩模式下，所以會產生寬帶低輻射能、會 成為非實時適應、並會引起通信自相抵消。由於有效能量輻射主要發生在脈衝過渡期間，所 以光譜能量含量低。值得注意的是，傳統高能微波源已是調速管之類的真空電子裝置。替 代方法包括非線性傳輸線。這些技術都具有固有的問題。真空電子裝置往往笨重且昂貴， 而非線性傳輸線取決於常常難以獲得且特性不佳的專門材料。

發明內容
本發明的一個方面包括用於生成經調製的電信號的系統，該系統包括含有光電 導寬帶隙半導體材料的可變電阻器，該光電導寬帶隙半導體材料對入射輻射的幅度變化的電導響應在該半導體材料電導響應的整個非飽和區內實質為線性，從而使該可變電阻器能 夠工作在非雪崩模式下；調製輻射源，用來生成調幅輻射以直接照射到可變電阻器上並對 該可變電阻器的電導響應進行調製；以及電壓源和輸出埠，二者都可操作地連接到可變 電阻器，使得通過可變電阻器在輸出埠處生成的電信號被可變電阻器進行調製，從而使 該電信號具有與調幅輻射實質相似的波形。本發明的另一方面包括生成經調製的電信號的方法，該方法包括提供電壓源、輸 出埠以及可操作地連接到該電壓源和輸出埠的可變電阻器，使得通過可變電阻器來在 輸出埠處產生電信號，所述可變電阻器包括光電導寬帶隙半導體材料，其對入射輻射幅 度變化的電導響應在電導響應的整個非飽和區內實質為線性，從而使該可變電阻器能夠工 作在非雪崩模式下；將調製輻射源所生成的調幅輻射直接照射到可變電阻器上以對該可變 電阻器的電導響應進行調製，從而由可變電阻器對在輸出埠處生成的電信號進行調製， 以使該電信號具有與調幅輻射實質相似的波形。本發明的另一方面包括光電導調製的可變電阻器裝置，該裝置包括光電導寬帶 隙半導體材料(PWBSM)，其對入射輻射的幅度變化的電導響應在其整個非飽和區內實質為 線性，從而該PWBSM作為可變電阻器能夠工作在非雪崩模式下；以及調製輻射源，用來生成 調幅輻射以直接照射到該PWBSM上，以使由此引起的PWBSM中的電導響應具有與調幅輻射 實質相似的波形。總的來說，本發明描述了通過調製光電導寬帶隙半導體材料(PWBSM)的電導響應 來使用該PWBSM對電信號進行調製的技術。這是通過PWBSM材料已證實的類似跨導的特 性而成為可能的，其中在例如緊密、堆疊、傳輸線結構中該特性表現為快速( 15kV/mm)、高電流(> lkA/cm2)、以及類似光電導的調製能力(> 300MHz)。 該能力實現了針對直接操作高壓電信號的各種應用。本發明的示例應用例如包括緊密高功 率微波或RF發生、以及定向能量系統中帶電粒子束的(不使用光電效應的)能量調製，即 針對加速器和其他科學儀表的脈衝功率。本發明可使用各種類型的PWBSM，例如碳化矽、氮 化鎵、氮化鋁、氮化硼以及金剛石。近來的數據顯示SiC在受到可見光能照射時其電阻將根據該光能的強度而發生 變化。由此，本發明中用作輻射控制(例如光控)電阻的SiC和其他PWBSM其電阻在將輻 射直接照射在其上時(例如圖中所示)會減小。圖2示出了由申請人在勞倫斯利弗莫爾國 家實驗室進行的實驗得出的在這種可見光能的影響下SiC的結果和典型性能。X軸是作用 在SiC材料上的可見光能的強度。Y軸示出了針對施加在材料兩端的多個電壓而得到的電 流。圖2示出了通過改變作用在SiC開關上的光強度而得到的各個電壓下流過SiC開關的 電流的詳情，並且示出了在高梯度(>27MV/m)開關應用下寬帶隙材料(SiC和GaN)的高 電流(> lkA/cm)能力。對於光能中大約0到2mJ的改變，裝置工作在從大約InA的暗電 流到峰值電流的實質線性模式中。對於這些具體數據來說該峰值電流在IkV的電壓下大約 為20A。在更高的光能>2mJ，裝置實現大約1Ω的最小電阻時達到飽和點。圖2中所示的 電導響應曲線的特徵在於具有飽和區以及非飽和區。從圖2能夠明顯看出非飽和區具有類似於典型電晶體裝置的實質為線性的響應。 從該數據能夠看出SiC材料以類似於跨導的特性來操作，該特性的形式為Gm= Δ Iout/ Δ ξ in，其中ξ in是控制輸入參數。在簡單電晶體的情況下ξ in可以是基極電流，或者對於真空管來說是控制柵極電壓。對於SiC材料來說，該參數是產生電導響應的光能或其他 輻射能。儘管為了清楚起見示出了非常線性的較低電流區，但在我們的具體裝置中SiC在 > lkA/cm2的最大電流以外呈現這種跨導特性。並且通過電晶體和真空管技術，這些材料 在0到2mJ呈現出陡峭高增益線性狀況以及到> 30mJ呈現出斜率減小的飽和區。因此，當 材料工作在實質為線性的非飽和區中時，對光脈衝施加的調製的放大將導致施加信號的放 大。當進行適當地構造時，這些開關能夠在毫微秒或更快的時間尺度上關閉和開啟，即，高 頻調製。值得注意的是不會觀察到不可控的雙穩態「高增益」模式，其中在這種模式中光能 僅把裝置觸發到全導通狀態而在所施加電勢消除之後發生恢復。而且，能夠充分激勵寬帶隙材料中的電荷載體的任何類型的輻射都可被用於調製 PWBSM可變電阻器的電導響應，該輻射包括電磁輻射以及例如電子、質子、中子等之類的粒 子輻射。值得注意的是，使用可變光能來進行調製的一個布置上的難題在於強烈的可見光 能可能難以生成。但是幸運的是，感興趣的材料對電磁輻射和粒子輻射二者的響應非常均寸。調製方案的兩個基本類型包括⑴「直接調製」，PWBSM可變電阻器的電導響應在 輸出埠產生經調製的電信號，以及O) 「反射率調製」，由於阻抗失配使得對來自調製輻射 源的調幅輻射的電導響應實際向在傳輸線中傳播的入射脈衝外加調製波形。


本發明公開中作為公開一部分的附圖如下圖1是本發明用於生成經調製的電信號的系統的一般實施例的示意圖。圖2是示出了 SiC材料在各種電壓電平下對光能的電導響應並圖解說明了非飽和 區的實質線性響應的曲線圖。圖3是本發明的調製輻射源的第一示例實施例的示意圖，該調製輻射源通過對光 源(例如，雷射器)所產生的光進行光學調製來生成調製光。圖4是本發明的調製輻射源的第二示例實施例的示意圖，該調製輻射源對電子的 產生進行調製來生成經調製的X射線用以對光電導可變電阻器的電導響應進行調製。圖5是本發明的調製輻射源的第三示例實施例的示意圖，該調製輻射源生成經調 制的電粒子用以對光電導可變電阻器的電導響應進行直接調製。圖6A是本發明的直接調製配置的第一示例實施例的示意圖，通過該配置可使 PWBSM的電導響應在輸出埠產生經調製的電信號。具體來說，該實施例被布置為分壓器。圖6B是類似於圖6A的(分壓器配置)第二示例實施例的示意圖，其中不同的是 負載和PWBSM的位置互換了。圖7是本發明的直接調製配置的第三示例實施例的示意圖，該配置使用脈衝形成 線來在輸出埠產生經調製的電信號。圖8A是本發明的反射率調製配置的第一示例實施例的示意圖，其中對調幅輻射 的電導響應向在傳輸線中傳播的入射脈衝外加了調製波形。圖8B是類似於圖8A的本發明的反射率調製配置的第二示例實施例的示意圖，其 中不同的是具有位於輸入端與輸出端之間成一直線的附加電導調製部分，每個部分由一個 獨立的調製輻射源調製。
圖8C是類似於圖8B的本發明的反射率調製配置的第三示例實施例的示意圖，其 中不同的是具有單個調製輻射源來對傳輸線中的所有電導調製部分進行電導調製。圖9是直接調製配置的示例堆疊實施例的示意圖，該配置具有多個PWBSM可變電 阻器嵌入在堆疊脈衝形成線上從而輸出埠處經調製的信號是累加的。圖10是本發明的示例相控陣列實施例的示意圖，其中具有多個PWBSM可變電阻器 嵌入在分開的脈衝形成線中並由各個調製輻射源用控制其相對相位的相位控制器來進行 單獨地調製。圖11是本發明的基於應用配置的第一示例的示意圖，該配置構成為用於高功率 微波應用，其具有圖3的調製輻射源、圖6的分壓器配置，並且使其輸出埠連接到用於發 射高功率微波的微波喇叭。圖12是類似於圖11的基於應用配置的第二示例的示意圖，其中不同的是該配置 具有用於發射高功率微波的微波喇叭，使該微波喇叭連接到圖7的脈衝形成線的輸出端圖13是本發明的基於應用配置的第三示例的示意圖，該配置構成為用於在介質 壁加速器(DWA)配置中調製帶電粒子。圖14是圖10的替代實施例，示出了使用單個調製輻射源來針對不同的可變電阻 器產生相位受控的調幅輻射的相控陣列實施例的示意圖。圖15是本發明的基於應用配置的第四示例的示意圖，其構成為在三極體配置中 調製陽極電壓。圖16是類似於圖15的基於應用配置的第五示例的示意圖，其構成為在三極體配 置中調製柵極電壓。圖17是類似於圖15的基於應用配置的第六示例的示意圖，其構成為在三極體配 置中調製陰極電壓。
具體實施例方式現在參照附圖，圖1示出了本發明用於生成經調製的電信號的系統的一般實施例 的示意圖，該系統整體用附圖標記10來表示。該系統包括嵌入在電氣系統12內作為可變 電阻器11的光電導寬帶隙半導體材料(「PWBSM」)。應該意識到電氣系統內的布置方式可 以根據系統的電氣配置，例如分壓器、傳輸線、脈衝形成線等(下面將作詳細描述)，而發生 改變，也可以是專用的。然而，通常基於PWBSM的可變電阻器11可操作地連接到電壓源13 和輸出埠 14，從而通過可變電阻器11來在輸出埠生成電信號17。換句話說，電信號或 者是由可變電阻器的激發/調製產生，或者僅僅是經可變電阻器傳播通過。並且輸出埠 可包括至少兩個輸出終端/電極。應該意識到本發明的另一個一般實施例包括可變電阻器 裝置，該可變電阻器裝置包括光電導可變電阻器11和調製輻射源15以及執行基於PWBSM 可變電阻器的電導調製來對輸出電信號進行調製。調製輻射源如圖1所示，系統10還包括用附圖標記15表示的調製輻射源，該調製輻射源15產 生調製輻射16以直接照射到可變電阻器11上來對其電導響應進行調製。如發明內容中所 述，PWBSM可變電阻器具有特徵由飽和區和非飽和區決定的連續的電導響應。並且在工作/激發的非飽和區中電導響應實質成線性。結果，由調製輻射源15產生的調製輻射16優選 地工作在實質線性區中來對可變電阻器的電導響應進行調製，因此工作方式類似於放大器 /電晶體。值得注意的是可變電阻器並非被用作包含雙穩態「開」和「關」操作的開關。圖1的調製輻射源15 —般的功能是產生輻射並對輻射進行調幅，輻射可以是例 如可見光或X射線之類的電磁輻射，或者是電子、質子或中子之類的粒子輻射。因此，調製 輻射源例如可(從雷射)產生光脈衝序列來直接照射到單個PWBSM可變電阻器上以生成 高壓輸出脈衝序列，或者可產生連續可變模擬光信號來直接照射到單個PWBSM可變電阻器 上。圖3示出了調製輻射源的第一示例實施例的示意圖，該調製輻射源被示作調製電磁輻 射源。具體來說，調製電磁源使用光調製器21產生調製光觀用以對光源(例如雷射器20) 所生成的光進行光學調製。光調製器21可使用各種調製技術，而圖3示出了一種使用分光 器22將進入的光分成可變時間延遲路徑M和固定時間延遲路徑23的具體方法。圖示出沿 可變時間延遲路徑的光通過了鈮酸鋰晶體25，該鈮酸鋰晶體25根據低電平電壓輸入信號 來控制光信號的延遲。兩個路徑在合併器27處重新合併來產生經調製的光觀。調製器的 其他實施例例如可包括聲光(AO)調製器、克爾盒(Kerr cell)、鮑爾克盒(Pockel cell)、 和帶偏光器的法拉第旋轉器。圖4和圖5示出了圖1的調製輻射源15的兩個可選實施例。具體來說，圖4示出 了調製輻射源的第二示例實施例的示意圖，用30表示的該調製輻射源對電子34的產生進 行調製來生成經調製的χ射線35，用以對光電導可變電阻器36的電導響應進行調製。提供 了陰極32以及陽極轉換靶33，並且提供了用於控制電子產生的柵極31。對電子產生進行 調製同樣也對χ射線的生成(即，χ射線強度)進行了調製。經調製的χ射線隨後被直接 照射到PWBSM 36上以對該PWBSM的電導響應進行調製。圖5示出了類似於圖4的第三示例實施例的調製輻射源40的示意圖，不同之處在 於該調製輻射源40使用柵極41對電子的產生進行調製來從陰極42生成經調製的電粒子 43，用以對光電導可變電阻器46的電導響應進行直接調製。雖然圖中未示出，但任何類型 的粒子輻射，例如放射性粒子、質子、中子等(亞原子粒子)，都可通過提供能夠調製這些粒 子類型的粒子調製器來進行調製。因此，在優選實施例中，粒子輻射源具有尖頭電極，進行 粒子調製操作來對從該尖頭電極提取的粒子進行調製。肓接調製圖6A、圖6B和圖7示出了本發明「直接調製」配置的各個示例實施例，由此，PWBSM 可變電阻器的電導響應在輸出埠處產生經調製的電信號。該配置利用了 PWBSM可變電阻 器類似於電晶體的工作方式的能快速從高阻抗變為低阻抗的能力。通常，以此方法，雷射器 或其他合適的輻射源用來產生一類輻射以及足以啟動開關的幅度(例如，強度)。隨後使用 調製器(如，光調製器)來將雷射轉換成校正脈衝形狀。這可以通過例如聲光調製器、一系 列反射鏡和光延遲線、鮑爾克盒或其他技術來實現。具體來說，圖6A是第一示例實施例的直接調製配置50的示意圖，該配置被布置為 分壓器。如圖所示，PWBSM可變電阻器55串聯布置在電壓源(示為高壓源)與負載56之 間，負載可以是負載電阻器。雷射器51產生未調製的光信號52，由光調製器53對該光信 號進行調製以產生經調製的光信號54，隨後將該經調製的光信號M直接照射在電阻器55 上。以此方式，在輸出埠 A電阻器的兩端以及在輸出埠 B負載56的兩端生成經調製的電信號。類似地，圖6B是第二示例實施例(分壓器配置)的示意圖，不同之處在於將負載 55和PWBSM電阻器56的位置互換。這裡的經調製的電信號也是在兩個輸出埠 A和B生 成。因為在未被照射時PWBSM實際為斷路，所以全部電壓被視為加在PWBSM電阻器兩端而 非負載兩端。當開關閉合時，此時大部分的電壓降都出現在負載兩端。因為開關能夠快速 切換，所以快速光脈衝序列被複製在A和B處出現的高壓脈衝序列中。為了產生微波，需要 微波頻率的光調製，並在A或B處連接一個天線或傳輸線。圖7示出了本發明第三示例實施例的直接調製配置，將其整體表示為附圖標記 60。這裡脈衝形成線用於在輸出埠 68產生經調製的電信號。雖然在圖7中示出了三個 電極，但應該意識到至少兩個電極就可以產生脈衝。在任何情況下圖7所示的脈衝形成線 都具有一個通過連接到電壓源(未示出)而被預充電到某一電壓的中央電極61。位於預充 電電極61兩端上的另外兩個電極62和63通過背面短路板(baCkShort)64電連接從而被 保持為地電勢。通過這樣的布置，當調製輻射源66所產生的調幅輻射67直接照射到PWBSM 時，在輸出埠 68產生調製脈衝。反射率調製與前面所述的直接調製配置相反，圖8A到圖8C示出了「反射率調製」配置的各種 示例實施例。具體來說，圖8A示出了本發明第一示例實施例的反射率調製配置的示意圖， 將其表示為附圖標記70，其中對來自調製輻射源77的調幅輻射78的電導響應實質上向在 傳輸線(示出為包含電極72和73並在輸入端74和輸出端75之間延伸)中傳播的入射脈 衝外加了調製波形。應該意識到，波形不會外加得完全相同而是會基本相同。而且，實質外 加的波形包括波形反演以及保持波形基本形狀下幅度和/或相位的均勻變化。在此情況下，電壓源優選地是脈衝電源。傳輸線中PWBSM的電導調製控制PWBSM 與傳輸線之間的阻抗失配，從而傳播通過傳輸線的(在別處產生的)入射脈衝部分被反射 且部分被傳輸，使得光電導(即，光脈衝序列)的脈衝形狀被外加到反射脈衝和傳輸脈衝二 者中。因此優選的是，PWBSM電阻器的特性和傳輸線的特性是阻抗匹配的，從而在開關未被 照射時將不會發生由於阻抗失配產生的反射。這可通過多種方法來完成，包括通過改變開 關和/或傳輸線的材料特性和幾何形狀。當照射PWBSM時，其阻抗將下降，並且沿傳輸線傳 播的任何高壓脈衝將被部分反射和部分傳輸。由於PWBSM對照射改變發生及時響應，所以 調製光脈衝序列將導致在可變電阻處發生變化的阻抗失配。這將引起光脈衝序列結構被復 制到傳輸的電壓脈衝和反射的電壓脈衝二者中。為了產生微波，傳輸脈衝、反射脈衝或是這 二者將經由傳輸線載波到天線。如下面將要討論的，通過使用附加的內聯光電導部分可產 生更複雜的調製。圖8B是類似於圖8A的本發明第二示例實施例的反射率調製配置的示意圖。然而 在此情況下，提供附加電導調製部分76』和76」並使它們位於輸入端與輸出端之間成一直 線，每個附加電導調製部分由一個獨立的調製輻射源77』和77」來調製。圖8C是類似於圖8B的本發明第三示例實施例的反射率調製配置的示意圖。然而 在此情況下，單個調製輻射源77例如通過分離器79來對傳輸線中的所有電導調製部分的 電導響應進行電導調製。脈衝形成線的堆疊布置圖9是直接調製配置的示例堆疊實施例的示意圖，該配置具有多個PWBSM可變電阻器嵌入在堆疊脈衝形成線上從而輸出埠處經調製的信號是累加的。該配置用於這樣的 情況，如果需要比例如單個脈衝形成線或單個分壓器所能提供的電壓或電流更多的電壓或 電流，則可使用多級配置來使信號合併起來。具體來說，可使用圖9所示的「介質壁加速器」 幾何結構或本領域已知的感應電壓加法器。該幾何結構使用堆疊傳輸線來將電壓施加到中 央導體(或帶電粒子束)。經調製的電信號輸出的相控陣列圖10是本發明的示例相控陣列實施例的示意圖，其中具有多個PWBSM可變電阻器 嵌入在分開的脈衝形成線中並用相控的調幅輻射來進行單獨地調製。圖10示出了相位控 制器100對多個調製輻射源94至96進行控制以控制多個調幅輻射的相對相位。然而應該 意識到，可使用相位控制器來相控單個調製輻射源以生成多個相控的調幅輻射，從而直接 照射到多個可變電阻器上。並且圖14示出了圖10的替代實施例，其中示出了使用單個調 制輻射源來產生針對不同可變電阻器的相控的調幅輻射的相控陣列實施例的示意圖。示例應用高功率微波發牛當今的高壓放大器或高功率微波(HPM)發生通常需要使用繁瑣的真空電子學技 術(即，真空功率管、磁電管、速調管、迴旋管等)、或使用大脈衝功率系統。已經將雷射觸發 的光電導開關(PCS)應用於緊湊型脈衝功率系統中，其中高壓脈衝的即時轉換產生了 HPM。 然而，大部分由高功率微波(HPM)系統驅動的脈衝功率都是非常寬帶的。最終結果是儘管 可以實現特定量的中和效應，但額外的電磁能會輻射到友好的通信頻率中並導致自相抵 消。結果，問題的解決者只能在損失通信和有效中和中選擇一種。對此，圖11和12示出了本發明配置用於高功率微波發生和傳輸的兩個示意圖。具 體來說，圖11是本發明的基於應用配置的第一示例的示意圖，該配置構成為用於高功率微 波應用，其具有圖3的調製輻射源、圖6B的分壓器配置，並且使其輸出埠連接到用於發射 高功率微波的微波喇叭。將微波喇叭102連接到分壓器的輸出埠以使得由被調製的可變 電阻器所產生的經調製的電信號驅動微波喇叭來生成高峰值功率輸出，如圖所示，該輸出 對施加到鈮酸鹽晶體25的低電平電壓輸入進行放大。並且圖12示出了類似於圖11的配 置，其中不同的是該配置具有脈衝形成線(諸如Blumlein型)，使得微波喇叭連接到脈衝形 成線的輸出端。以此方式，可將主動-被動幹擾設備所產生的低電平電信號施加到高功率 發射器來進行廣播。僅使用了系統的低功率部分將使得該技術可被用於定向能中和區。並 且可使用電光調製器來實現諸如從電信號到定向能HPM的轉換。在圖4中示出了該裝置。示例應用帶電粒子的調製對帶電粒子束的調製一直以來都是研究的迫切領域。在電子束的情況下這一點尤 為重要，因為其關係到用於生成高功率連續電磁輻射的經調製的電子束的能力。對粒子束 的調製可被分成密度調製以及速度或能量調製，其中密度調製是使束的密度隨其長度而發 生變化，而速度或能量調製是使束的能量(及對於非相對論的粒子束而言是其速度)隨其 長度而發生變化。已使用了多項技術來生成經調製的粒子束，諸如(在三級管中)使用調 制電壓作用在柵極上、或在共振腔中(如速調管中)與電磁場發生電子相互作用、或(如在 行波管中)使用慢波結構。總的來說，還未使用調製雷射來產生經調製的粒子束。一個例 外是現有技術的文獻中所描述的使用調製雷射來通過光電效應產生經調製的電子束。該技 術並不具有直接產生速度調製粒子束的能力，儘管在特定環境下密度調製可被轉換成速度調製。另外，該技術僅限於電子的產生，因此在例如質子束的調製方面是沒有用處的。圖13是本發明的基於應用配置的第三示例的示意圖，該配置構成為用於在介質 壁加速器(DWA)配置中調製帶電粒子。具體來說，示出了堆疊的脈衝形成線(在最外側電 極處)被連接到具有射束軸121的介質壁束射管120。另外示出了束射管中的帶電粒子源 122，使得從中產生的帶電粒子由PWBSM電阻器的啟動來調製。通常以此配置，可執行調製 來加速帶電粒子，以調製帶電粒子的能量/速度、或使帶電粒子成束/散束(即，縱向聚焦 /散焦)。可在介質壁束射管120的一端或兩端選擇性地提供網格(未示出)。而且，束射 管可作為子系統位於各種系統中，例如在速調管之類的微波管上代替輸入空腔，或位於慢 波結構或周期磁陣列之類的電磁輻射源的上遊，從而增加效果或減小尺寸。同樣如圖18所 示，可將帶電粒子源置於束射管內部，以從中提取帶電粒子來對其進行帶電粒子密度的調 制。如圖15至17所示，帶電粒子調製的另一應用是通過提供三極體配置來實現的。在 這些附圖中，類似於圖6A所示的分壓器配置用於向三極體配置中的陽極、陰極和柵極之一 提供調製電壓。具體來說，圖15構成為調製三極體配置中的陽極電壓，圖16構成為調製三 極管配置中的柵極電壓，而圖17構成為調製三極體配置中的陰極電壓。應該意識到，三極 管優選地延伸到抽空氣體或充滿氣體的區域中(例如封裝中，用圓圈示出)。當被用於驅動 真空或氣態電子裝置時，由穿透封裝的電導體進行連接從而這些電導體可被附接到真空或 氣體區中的元件上(例如柵極)。以此方式，通過選擇將三個電極的哪一個連接到(用於經 調製的電信號的)輸出埠，可使用三極體來對封裝中存在的帶電粒子進行排斥、偏轉或 者加速。其操作原理是，(通過絲極直接或間接)加熱的陰極引起了電子的空間電荷被吸 引到正電荷板極(陽極)並產生電流。向控制柵極提供負電荷將傾向於將一些(帶負電荷 的)電子排斥回陰極柵極上的電荷越大，板極上的電流就越小。如果AC信號被疊加到柵 極的DC偏壓上，則在板極電路中出現AC信號的放大。雖然描述和/或圖示了具體的操作參數，例如順序、材料、溫度、參量、以及具體的 實施例，但這些都不是用來限制本發明。本領域技術人員可進行修改和變化，而本發明的範 圍僅由所附權利要求進行限定。
權利要求
1.一種用於產生經調製的電信號的系統，該系統包括包含光電導寬帶隙半導體材料的可變電阻器，該光電導寬帶隙半導體材料對入射輻射 幅度變化的電導響應在電導響應的整個非飽和區域內實質為線性，從而能夠工作在非雪崩 模式；調製輻射源，用來產生調幅輻射，以將該調幅輻射直接照射到可變電阻器上並對該可 變電阻器的電導響應進行調製；以及電壓源和輸出埠，二者都可操作地連接到可變電阻器，使得通過可變電阻器在輸出 埠處產生的電信號被可變電阻器調製，從而使該電信號具有與調幅輻射實質相似的波 形。
2.如權利要求1所述的系統，其中由調製輻射源產生的調幅輻射對可變電阻器在電導響應的非飽和區域內的電導 響應進行調製。
3.如權利要求1所述的系統，其中調製輻射源的類型是從以下類型中選出的，它們是調製電磁輻射源和調製粒子輻 射源。
4.如權利要求3所述的系統，其中調製電磁輻射源是一個調製光源，其包括光源，用來產生能夠在可變電阻器中產 生電導響應的光束；以及光調製器，用來對光束進行強度調製。
5.如權利要求3所述的系統，其中調製電磁輻射源是一個χ射線源，其包括陰極；陽極轉換靶；以及柵極，用來對 在陰極產生而要直接照射到陽極轉換靶的電子進行調製以從陽極轉換靶產生強度調製的χ 射線，將該X射線直接照射到可變電阻器上來對可變電阻器的電導響應進行調製。
6.如權利要求3所述的系統，其中調製粒子輻射源包括放射源和粒子調製器，該粒子調製器用來對來自放射源的放 射粒子進行調製，以將經調製的放射粒子直接照射到可變電阻器上來對可變電阻器的電導 響應進行調製。
7.如權利要求3所述的系統，其中調製粒子輻射源是調製電子源，其包括陰極；和柵極，用來對陰極處產生的電子 進行調製，以將經調製的電子直接照射到可變電阻器上來對可變電阻器的電導響應進行調 制。
8.如權利要求3所述的系統，其中調製粒子輻射源包括具有尖頭電極的輻射源和用於對從尖頭電極提取的粒子進 行調製的粒子調製器。
9.如權利要求1所述的系統，其中電壓源、可變電阻器和輸出埠可操作地連接，使得用調幅輻射對可變電阻器的 電導響應進行調製，以在輸出埠產生經調製的電信號。
10.如權利要求9所述的系統，還包括負載，其串聯連接到可變電阻器，使得輸出埠電連接在負載和可變電阻器之 一的兩端。
11.如權利要求10所述的系統，還包括第二輸出埠，其電連接在所述負載和可變電阻器中另一個的兩端。
12.如權利要求9所述的系統，還包括三極體，其包括具有關聯電壓Va的陽極、具有關聯電壓Vc的陰極、和具有關聯電壓Vg 並用來控制三極體操作的柵極，將輸出埠連接到陽極、陰極和柵極之一，從而對相應的一 個電壓Va、Vc或Vg進行調製。
13.如權利要求9所述的系統，還包括脈衝形成線，其具有連接到電壓源並被電壓源預充電的第一導體以及與第一 導體並聯並處於地電勢的第二導體，所述輸出埠包括第一導體和第二導體的相鄰的輸出 端，並且所述可變電阻器在離開輸出端的位置處橋接第一導體和第二導體。
14.如權利要求13所述的系統，其中脈衝形成線具有與第一導體並聯並與第二導體相對的第三導體，所述第三導體具 有與第一導體的輸出端相鄰的輸出端並且所述第三導體在離開所述第一導體和第二導體 的輸出端的位置處電連接到所述第二導體。
15.如權利要求14所述的系統，還包括與所述脈衝形成線堆疊布置的至少一個附加的脈衝形成線，使得在各個輸出端 口處產生的經調製的電信號被累加。
16.如權利要求1所述的系統，其中電壓源是脈衝發生器；並且所述系統還包括傳輸線，該傳輸線具有連接到脈衝發生器的輸入端、包含所述輸出端 口的輸出端、以及在輸入端和輸出端之間含有可變電阻器的光電導調製內聯部分，該傳輸 線用於將入射的電壓脈衝通過光電導調製內聯部分從輸入端傳播到輸出端，從而用調幅輻 射對可變電阻器的電導響應進行調製的操作實現了將調幅輻射的波形外加到入射的電壓 脈衝的傳輸部分和反射部分中。
17.如權利要求16所述的系統，其中傳輸線的光電導調製內聯部分在未被啟動時具有與傳輸線的相鄰部分匹配的阻 抗，從而使入射的電壓脈衝通過而不會發生反射。
18.如權利要求16所述的系統，其中傳輸線包括至少一個含有另外的可變電阻器的附加光電導調製內聯部分，使調製 輻射源將調幅輻射指向所有的光電導調製內聯部分。
19.如權利要求16所述的系統，其中傳輸線包括至少一個含有另外的可變電阻器的附加光電導調製內聯部分，並且所述系統還包括至少一個附加調製輻射源，用於與另一個調製輻射源相獨立地產生調 幅輻射來將該調製輻射直接照射到附加光電導調製內聯部分。
20.如權利要求16所述的系統，還包括位於傳輸線的輸入端處的第二輸出埠，用於對入射電壓脈衝的反射部分進行 發射。
21.如權利要求1所述的系統，還包括至少一個附加可變電阻器及所附的輸出埠 ；以及相位控制器，用於對直接照射到各個可變電阻器上的相應的調幅輻射的相位進行控 制，從而對各個輸出埠處的經調製的電信號的相位進行控制。
22.如權利要求1所述的系統，還包括傳輸裝置，其連接到輸出埠以傳輸經調製的電信號。
23.如權利要求22所述的系統，其中傳輸裝置是天線。
24.如權利要求23所述的系統，其中調製輻射源產生微波頻率的調幅輻射，從而經天線來傳輸微波信號。
25.如權利要求1所述的系統，還包括真空介質壁束射管，其具有用於接收帶電粒子的輸入端，所述輸出埠沿該束 射管連接，使得束射管中存在的帶電粒子接收到與輸出埠處的經調製的電信號相對應的 能量調製，從而來產生經調製的帶電粒子束。
26.一種用於產生經調製的電信號的方法，所述方法包括提供電壓源、輸出埠以及可操作地連接到該電壓源和輸出埠的可變電阻器，使得 通過可變電阻器來在輸出埠處產生電信號，所述可變電阻器包括光電導寬帶隙半導體材 料，其對入射輻射幅度變化的電導響應在電導響應的整個非飽和區域內實質為線性，從而 使該可變電阻器工作在非雪崩模式下；以及將調製輻射源所生成的調幅輻射直接照射到可變電阻器上以對該可變電阻器的電導 響應進行調製，從而由可變電阻器對在輸出埠處生成的電信號進行調製，以使該電信號 具有與調幅輻射實質相似的波形。
27.一種光電導可變電阻器裝置，包括光電導寬帶隙半導體材料，其對入射輻射幅度變化的電導響應在電導響應的整個非 飽和區內實質為線性，從而該光電導寬帶隙半導體材料作為可變電阻器工作在非雪崩模式 下；以及調製輻射源，用來生成調幅輻射以直接照射到該光電導寬帶隙半導體材料上，以使由 此引起的光電導寬帶隙半導體材料中的電導響應具有與調幅輻射實質相似的波形。
全文摘要
一種用於產生經調製的電信號的系統和方法。該系統使用具有光電導寬帶隙半導體材料的可變電阻器，該材料對入射輻射幅度變化的電導響應在電導響應的整個非飽和區域內實質為線性，從而能夠工作在非雪崩模式。該系統還包括如調製雷射器之類的調製輻射源，用來產生調幅輻射以將該調幅輻射直接照射到可變電阻器上並對該可變電阻器的電導響應進行調製。電壓源和輸出埠二者都可操作地連接到可變電阻器，使得或者由可變電阻器的激活來產生、或者傳播通過可變電阻器來在輸出埠處產生電信號。以此方式，由可變電阻器調製電信號，從而使該電信號具有與調幅輻射實質相似的波形。
文檔編號G02F1/03GK102047443SQ200980120263
公開日2011年5月4日 申請日期2009年4月17日 優先權日2008年4月17日
發明者喬治·J·卡普拉索, 史蒂芬·E·桑帕揚, 約翰·R·哈裡斯 申請人:勞倫斯利弗莫爾國家安全有限責任公司