KR100728086B1

KR100728086B1 - 진공관과 반도체 스위칭 소자의 ｃａｓｃｏｄｅ 방식회로를 이용한 대출력 펄스 ＲＦ 전력 발생 장치

Info

Publication number: KR100728086B1
Application number: KR1020030064026A
Authority: KR
Inventors: 한승희; 이연희
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2007-06-14
Also published as: KR20050027667A

Abstract

본 발명은 진공관과 반도체 스위칭 소자를 cascode 방식으로 연결하고 반도체 소자에 소출력의 RF 전력을 인가함으로써 RF 증폭 효율을 극대화하여 대출력의 펄스 RF 전력을 발생시킬 수 있는 장치에 관한 것으로서, 진공관, 진공관의 음극에 연결되어 cascode 회로를 구성하는 반도체 스위칭 소자, 진공관의 양극에 고전압을 인가하는 전원 입력부, 진공관 내 다수의 보조극에 직류 전원을 인가하는 직류 전압 입력부, 반도체 스위칭 소자에 펄스 RF 구동 전력을 인가하는 펄스 RF 입력부, 진공관의 펄스 RF 출력을 발생시키는 펄스 RF 출력부 및 펄스 RF 출력의 임피던스 정합을 조절하는 임피던스 정합부를 포함하는 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치를 제공한다.

본 발명에 의한 진공관과 반도체 스위칭 소자의 cascode 회로를 이용하면, 소출력의 펄스 RF 전력으로 대출력의 펄스 RF 전력을 발생시킬 수 있으며, 이는 플라즈마를 비롯하여 여러 가지의 대출력 RF 응용 분야에 이용할 수 있다.

진공관, 양극, 음극, 반도체 스위칭 소자, 펄스 RF

Description

진공관과 반도체 스위칭 소자의 ｃａｓｃｏｄｅ 방식 회로를 이용한 대출력 펄스 ＲＦ 전력 발생 장치{HIGH-POWER PULSED RF AMPLIFIER USING ELECTRON TUBE-SEMICONDUCTOR CASCODE CIRCUIT}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치의 구조를 설명하기 위한 도면.

도 2는 도 1에 도시한 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치에서 오실로스코프를 이용하여 측정한 RF 출력 전력의 파형을 나타내는 도면.

도 3은 도 1에 도시한 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치를 고밀도 플라즈마 발생에 이용했을 경우의 플라즈마 밀도를 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 진공관 2 : 반도체 스위칭 소자 3 : 접지

4 : 양극 5 : 보조극(suppressor) 6 : 보조극(screen)

7 : 보조극(control) 8 : 음극 9 : 드레인부

10 : 소스부 11 : 게이트부

12 : 보조극 직류 전원부 13 : 직류 전원 입력부 14 : RF 출력부

15 : 임피던스 정합부 16 : RF 입력 17 : RF 출력

본 발명은 RF 전력 발생 장치에 관한 것으로서, 특히 진공관과 반도체 스위칭 소자를 cascode 방식으로 연결하고 반도체 소자에 소출력의 RF 전력을 인가함으로써 RF 증폭 효율을 극대화하여 대출력의 펄스 RF 전력을 발생시키는 장치에 관한 것이다.

현재 이용되고 있는 대부분의 대출력 RF 증폭기(amplifier)는 3극관, 4극관 또는 5극관의 진공관을 이용하고 있다. 진공관의 양극에는 고전압을 인가하게 되며, 보조극(control grid, screen grid, suppressor grid)을 접지한 ground-grid 방식의 음극(cathode) 구동(drive) 방식을 이용하거나, 또는 음극(cathode)을 접지하고 보조극을 구동하는 보조극 구동 방식을 이용하고 있다[Power vacuum tubes handbook, J. C. Whitaker, CRC Press, 1999], [Care and feeding of power grid tubes, Eimac Division, CPI, Inc.].

RF MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 반도체 소자를 이용한 RF 증폭기의 경우, 진공관 RF 증폭기에서와 같은 고전압을 사용하지 않으므로 간단하고 안전한 반면, 대출력의 RF 출력을 발생시키기에는 부적절하다.

그러나, 상기한 종래의 진공관 방식의 RF 증폭기 회로를 이용할 경우, 대출력의 RF 출력을 얻기 위하여서는 대출력에 적합한 진공관을 선택하여 이용하여야 하며, 이는 펄스 RF 출력 시에도 마찬가지이다. 즉, 100㎾의 펄스 RF 출력을 얻기 위해서는 CW(continuous wave) 100㎾ 급의 진공관을 이용하여야 하며, 이는 막대한 RF 구동 전력을 필요로 하게 되고 RF 증폭기의 규모 또한 매우 커지게 된다.

또한, 기존의 진공관 회로 방식을 이용한 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치의 경우, 대출력의 RF 출력을 얻기 위하여 대출력에 적합한 진공관을 선택하여 이용하여야 하며 이는 장치 구성적으로 또는 경제적으로 매우 비효율적이다. 즉, 출력되는 RF 전력의 최대값은 높은 반면 평균 출력 전력은 낮은 대출력 펄스 RF 전력의 특성상, 상기한 기존의 진공관 회로는 매우 부적절하며, 이는 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치의 광범위한 응용을 가로막고 있는 문제점이 되고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 진공관과 반도체 스위칭 소자를 cascode 방식으로 연결하고 반도체 소자에 소출력의 RF 전력을 인가함으로써 RF 증폭 효율을 극대화하여 대출력의 펄스 RF 전력을 발생시킬 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치로서, 진공관, 진공관의 음극에 연결되어 cascode 회로를 구성하는 반도체 스위칭 수단, 진공관의 양극에 고전압을 인가하는 전원 입력 수단, 진공관 내 다수의 보조극에 직류 전원을 인가하는 직류 전압 입력 수단, 반도체 스위칭 수단에 펄스 RF 구동 전력을 인가하는 펄스 RF 입력 수단, 진공관의 펄스 RF 출력을 발생시키는 펄스 RF 출력 수단, 및 펄스 RF 출력의 임피던스 정합을 조절하는 임피던 스 정합 수단을 포함하는 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치를 제공한다.

이하에서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치의 구조를 설명하기 위한 개략도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 진공관(1)은 3극관, 4극관, 또는 5극관 등을 사용하며, cascode 회로를 구비한 반도체 스위칭 소자(2)는 진공관(1)과 직렬로 연결한다. 반도체 스위칭 소자(2)의 소스(source)부(10, 반도체 스위칭 소자로 MOSFET를 사용한 경우) 또는 에미터(emitter)부(10, 반도체 스위칭 소자로 BJT(Bipolar Junction Transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Trasnsistor)를 사용한 경우)는 접지(3)된다.

진공관(1)의 내부는 고전압이 인가되는 양극(anode)(4), 전자를 방출하는 음극(cathode)(8)을 비롯하여 전자의 흐름을 제어하는 역할을 하는, 하나 또는 다수의 보조극인, 억제 그리드(suppressor grid)(5), 차폐 그리드(screen grid)(6), 제어 그리드(control grid)(7)를 구비한다.

반도체 스위칭 소자(2)는 접지(3)와 연결되어 있는 소스부(10)를 비롯하여 진공관(1)의 음극(8)과 직렬 cascode 회로로 연결된 드레인(drain)부(9, 반도체 스위칭 소자로 MOSFET를 사용한 경우) 또는 컬렉터(collector)부(9, 반도체 스위칭 소자로 BJT 또는 IGBT를 사용한 경우), 반도체 스위칭 소자(2)의 온(on)/오프(off)를 제어하는 게이트(gate)부(11, 반도체 스위칭 소자로 MOSFET를 사용한 경우) 또는 베이스(base)부(11, 반도체 스위칭 소자로 BJT 또는 IGBT를 사용한 경우)를 구 비한다.

보조극 직류 전원부(12)는 진공관(1)의 보조극(5~7)에 직류 전원을 공급하며, 직류 전원 입력부(13)는 진공관(1)의 양극(4)에 고전압 직류 전원을 공급한다. RF 출력부(14)는 진공관(1)의 양극(4)에 연결되며, 임피던스 정합부(15)는 RF 출력부(14)로부터 출력된 RF의 임피던스 정합을 조절한다.

소출력의 펄스 RF 입력(16)은 반도체 스위칭 소자(2)의 게이트부(11)에 인가되며, 임피던스 정합부(15)는 고효율의 증폭률로 증폭되어 출력되는 대출력의 펄스 RF 출력(17)을 공급한다.

본 발명의 실시예에 따른 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치의 동작에 대하여 설명한다.

진공관(1)의 음극(8)과 반도체 스위칭 소자(2)의 드레인부(9)를 연결하고, 반도체 스위칭 소자(2)의 소스부(10)를 접지(3)한다. 진공관(1)의 양극(4)에는 고전압 직류 전원 입력부(13)을 통하여 고전압이 인가된다. 고전압 직류 전원 입력부(13)는, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 대개의 경우 고주파 RF 초크(choke) 및 고전압 바이패스 캐패시터(bypass capacitor)로 이루어진다. 입력되는 소출력 펄스 RF 전력(16)은 반도체 스위칭 소자(2)의 게이트부(11)를 구동하여 입력 RF 주파수로 반도체 스위칭 소자(2)를 on/off 시킨다.

반도체 스위칭 소자(2)가 on 되어있을 때, 진공관(1)의 음극(8)은 반도체 스위칭 소자(2)를 통하여 접지(3)되는 상태로 되어 진공관의 양극(anode)(4)과 접지(3)사이에 전류가 흐르므로 진공관(1)이 on 상태로 된다.

반도체 스위칭 소자(2)가 off 되어 있을 때, 진공관(1)의 음극(8)에서 방출되는 전자의 흐름으로 인하여 음극(8)의 전위가 진공관(1)의 제어 그리드(7)에 비해 높아지게 되므로 자동적으로 진공관(1)의 양극(4)과 음극(8) 사이의 전류 흐름이 멈추게 되어 진공관(1)이 off 된다. 이와 같은 방식으로 진공관(1)의 양극(4)과 음극(8) 사이의 전류를 on-off 하게 되고, 이는 RF 출력부(14)와 임피던스 정합부(15)를 거쳐서 대출력 RF 전력(17)을 공급하게 된다. 여기서, RF 출력부(14)는, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 대개의 경우 진공관의 양극(4)과 직렬로 연결된 블록킹(blocking) 캐피시터로 이루어지며, 임피던스 정합부(15)는, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 대개의 경우 Pi 또는 Pi-L 회로로 이루어진다. 또한, 입력되는 소출력의 RF 입력(16)을 변화시키는 대신 진공관(1)의 제어 그리드(7) 또는 차폐 그리드(6)에 가해주는 직류 전압을 변화시키게 되면 대출력의 RF(17) 출력의 전력이 바뀌게 된다.

상술한 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치는 다음과 같은 특징을 갖는다. 즉, 진공관(1)과 직렬 cascode 회로로 연결된 반도체 스위칭 소자(2)의 게이트부(11)에 인가되는 소출력의 펄스 RF 입력(16)은 반도체 스위칭 소자(2)를 on 또는 off 시키는데 이용되며, 이에 따라 진공관(1)이 on 또는 off 된다. 출력되는 RF 전력의 크기는 진공관의 보조극인 제어 그리드(7) 또는 차폐 그리드(6)에 인가되는 직류 전압을 변화시킴으로써 이루어질 수 있으며, 이는 입력 RF와 독립적으로 출력을 제어할 수 있음을 의미한다. 따라서, 평균 RF 출력 전력은 낮으면서 순간적으로 높은 대출력 펄스 RF 전력 장치에 최적인 회로라 할 수 있다.

설명의 편의상, 반도체 스위칭 소자(2)로 MOSFET를 사용한 경우에 대해서 설명하였지만, MOSFET 대신 BJT 또는 IGBT를 반도체 스위칭 소자(2)로 사용하더라도 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치의 동작을 상술한 바와 동일하게 해석할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치를 구성하였다. 진공관으로는 평균 양극 소모전력 5㎾의 4극관인 Eimac 사의 4CX5000A를 이용하였으며, cascode 회로의 반도체 스위칭 소자로는 IXYS 사의 DE475-21A RF MOSFET을 이용하였다. 양극전압은 7.5㎸, 제어 그리드 전압은 300V, 차폐 그리드 전압은 1500V를 인가하였다. MOSFET의 게이트에는 13.56㎒, 30W(펄스 on 시)의 펄스 RF 전력을 게이트 매칭(matching) 회로를 거쳐서 인가하였으며, 펄스폭은 600㎲, 주파수는 25㎐를 이용하였다. 양극 입력 회로로는 25uH의 고주파 초크(choke)를 양극에 직렬로 연결하였으며, 또한 16㎋의 RF 바이패스 캐패시터로 접지와 RF 초크를 연결하여 RF의 고전압 전원부로의 인입을 방지하였다. 양극 출력부는 양극에 직렬로 4.7㎋의 블록킹 캐패시터로 구성하여 고전압 직류가 출력되는 것을 방지하였다. 출력 임피던스 정합 회로는 2 개의 가변 캐패시터(용량 500㎊)와 1 개의 가변 인덕터(inductor, 용량 9nH)를 이용하여 Pi 정합 회로로 구성하여 출력 RF 임피던스가 50Ω이 되게 하였다. 출력되는 RF 전력은 50Ω의 무유도 부하 저항과 연결하여 저항에 인가되는 RF 전압을 오실로스코프를 이용하여 측정하였다.

도 2는 상술한 오실로스코프로 측정한 결과를 보여준 것이다. 도 2에서 알 수 있듯이 측정된 펄스 RF 전압은 약 2.2㎸로 RF 전력으로 표시할 경우 약 48㎾에 해당되고, RF 입력 전력 대비 증폭률은 약 1600에 달함을 알 수 있다. 종래의 진 공관 회로를 이용하였을 경우, 4CX5000A의 증폭률이 100 미만임에 비추어 볼 때 본 발명의 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치의 증폭률이 매우 높음을 잘 알 수 있다. 또한, 입력되는 RF 전력의 주파수나 펄스폭이 출력 측에서 잘 유지됨을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치를 구성하여 진공조 내의 플라즈마를 발생시켜 그 밀도를 측정하였다. 플라즈마를 발생시키기 위하여 RF 안테나를 이용하였으며 1mTorr의 Ar을 사용 가스로 하여 플라즈마를 발생시켰다. 발생된 플라즈마는 Langmuir 프로브를 이용하여 측정하였다. 도 3은 플라즈마 밀도의 측정 결과를 보여주고 있다. 도 3에서 알 수 있듯이, 대출력 펄스 RF 전력 발생장치를 이용하였을 경우, 재료의 표면 처리에 유리한 매우 높은 밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있음을 알 수 있으며, 이는 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치의 한 응용 예를 보여주고 있다.

본 발명에 의한 진공관과 반도체 스위칭 소자의 cascode 회로를 이용하면 소출력의 펄스 RF 전력으로 대출력의 펄스 RF 전력을 발생시킬 수 있으며, 이는 플라즈마를 비롯하여 여러 가지의 대출력 RF 응용 분야에 이용될 수 있다.

상술한 실시예는 본 발명의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해해야 한다. 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질로부터 벗어남이 없이 여러 가지 변형이 가능함을 명백히 알 수 있을 것이다.

Claims

대출력 펄스 RF 전력 발생 장치로서,

진공관,

상기 진공관의 음극에 연결되어 cascode 회로를 구성하는 반도체 스위칭 수단,

상기 진공관의 양극에 고전압을 인가하는 전원 입력 수단,

상기 진공관 내 다수의 보조극에 직류 전원을 인가하는 직류 전원 입력 수단,

상기 반도체 스위칭 수단에 펄스 RF 구동 전력을 인가하는 펄스 RF 입력 수단,

상기 진공관의 펄스 RF 출력을 발생시키는 펄스 RF 출력 수단, 및

상기 펄스 RF 출력의 임피던스 정합을 조절하는 임피던스 정합 수단

을 포함하는 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 진공관은 3극관, 4극관 및 5극관 중의 어느 하나인 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 반도체 스위칭 소자는 MOSFET, BJT 및 IGBT 중의 어느 하나인 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 진공관 양극의 고전압 입력 회로는 고주파 초크(choke)와 바이패스 캐패시터(by-pass capacitor)를 포함하는 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 보조극에 가해지는 직류 전압값을 고정 또는 가변하는 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 반도체 스위칭 소자의 게이트(gate) 또는 베이스(base)에 인가되는 구동 펄스 RF를 직접 또는 입력 매칭(matching) 회로를 구비하여 인가하는 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 출력 펄스 RF 전력을 블록킹 캐패시터(blocking capacitor)를 거쳐 출력하여 직류 부분을 제거하여 출력시키는 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 출력 펄스 RF 전력을 임피던스 정합 회로를 이용하여 출력 임피던스를 조절하여 출력시키는 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치.