KR101145769B1 - 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치 - Google Patents

초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치 Download PDF

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Abstract

초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전원 전압으로서 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 직류 전원을 1차 승압하는 교류-직류 변환부, 상기 승압된 직류 전원을 펄스 신호로 변환하고, 상기 변환된 펄스 신호를 2차 승압하는 고압 펄스 신호 생성부, 상기 2차 승압된 펄스 신호의 상승 시간을 감소시켜 펄스 폭을 압축하는 고압 펄스 신호 구동부, 및 상기 압축된 펄스 신호를 이용하여 개방형 다이오드 스위치(SOS; Semiconductor Opening Switch)에 역기전력을 형성시키고, 상기 역기전력에 의한 역방향 회복 과정에서의 전류 흐름에 따라 초단폭 펄스 신호가 출력되도록 하는 고압 펄스 신호 출력부를 포함하는 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치가 제공된다.

Description

초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치{HIGH VOLTAGE FAST TRANSIENT PULSE SIGNAL GENERATOR}
본 발명은 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 소정의 전원 전압을 인가받아 이를 초단폭 고전압 펄스 신호로 변환하여 출력할 수 있는 펄스 신호 발생 장치에 관한 것이다.
최근 여러가지 목적으로 고전력 초광대역 펄스 신호를 생성해낼 수 있는 장치에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다. 고전력 초광대역 펄스 신호 생성 기술은 플라즈마를 이용한 방식 외에도 반도체 방식의 스위치를 이용한 방식도 개발되고 있으며, 러시아는 인덕티브 에너지 저장 방식의 펄스 발생 장치의 개발에 필요한 반도체 스위치 제조 기술을 보유하고 있으며, 개방형 다이오드 스위치(Semiconductor Opening Switch) 부품을 상용으로 판매하고 있다.
도 1은 종래 인덕티브 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생 장치를 나타내는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 종래 고속 펄스 발생 장치는 입력 전원을 충전하는 커패시터(C1), 입력 전원을 커패시터(C1)에 충전하기 위한 인덕터(L1)와 사이리스터(X1),커패시터(C1)에 충전된 에너지를 펄스 변압기(PT1)로 전달하기 위한 사이리스터(X2), 변압기와 마그네틱 스위치로서의 기능을 동시에 수행하고, 커패시터(C1)에 충전된 에너지를 승압하는 펄스 변압기(PT1), 승압된 에너지를 충전하는 커패시터(C2), 커패시터(C2)에 에너지가 충전되는 경우에는 다이오드로서의 기능을 수행하고, 커패시터(C2)에 충전된 에너지가 방전될 경우에는 개방 스위치(opening switch)로서 기능하는 사이리스터 스택(D1), 및 부하부(RLOAD)를 포함하여 구성된다.
이러한 펄스 발생 장치의 동작을 간단히 설명하면 다음과 같다. 사이리스터(X1)를 온 상태로 하고, 사이리스터(X2)를 오프 상태로 하여 입력 전원을 커패시터(C1)에 펄스 전원 형태로 전달하고, 커패시터(C1)가 완전히 충전되는 시점에 사이리스터(X1)를 오프 상태로 하고 사이리스터(X2)를 온 상태로 하여 커패시터(C1)에 저장된 에너지를 펄스 변압기(PT1)를 통해 커패시터(C2)에 전달한다. 이 때, 펄스 변압기(PT1)의 1차측을 구성하는 LC 공진회로의 공진 주파수보다 2차측을 구성하는 LC 공진 회로의 공진 주파수를 높게 하면, 1차측의 충전 시간보다 2차측의 충전 시간이 짧아진다. 커패시터(C2)가 완전히 충전되는 시점에 펄스 변압기(PT1)는 포화되며, 개방형 다이오드 스위치로 사용되는 사이리스터 스택(D1)의 순방향으로 펄스 전류가 도통된다. 이 후, 커패시터(C2)의 충전 극성이 반대로 되어 사이리스터 스택(D)의 양극에 역전압이 크게 걸리게 되면, 정류 다이오드의 역방향 회복 과정에서 나타나는 전환 전류(Commutation Current)가 발생하게 되고, 순간적으로 부하(RLOAD) 방향으로 펄스 신호가 전달되게 된다.
이러한 펄스 발생 장차에 있어서는 펄스 폭 특성이 개방형 다이오드 스위치로 사용되는 사이리스터 스택(D1)의 역방향 회복 시간에 달려있게 되며, 이러한 사이리스터 스택(D1)을 이용하여서는 30ns 이하의 펄스 폭을 갖는 펄스 신호의 생성은 거의 불가능해지게 된다. 따라서, 특정 이득을 가지는 안테나에 생성되는 펄스 신호를 인가하여 복사시킬 목적으로 사용하는 경우에는 해당 안테나의 크기가 매우 커지게 되는 문제점이 존재한다.
또한, 부하의 임피던스와는 무관하게 전류 방식의 펄스 전원을 제공하기 때문에, 고속 펄스 신호 발생 회로 내의 자기 스위치와 커패시터의 선정에 제약을 받지 않게 된다. 그러나, 안테나를 통한 에너지의 복사 목적으로 펄스 신호 발생 장치를 사용하기 위해서는 반드시 안테나의 입력 임피던스인 50Ω에 임피던스 정합을 시켜야 한다. 즉, 펄스 신호 발생 장치가 안테나에 임피던스 정합되도록 회로를 구성해야 하는데, 이에 대한 고려가 전혀 되어 있지 않은 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소정 전원 전압을 인가받아 이를 고전압을 갖는 펄스 신호로 변환하고 초단폭의 펄스 신호로 압축하여 생성해낼 수 있는 펄스 신호 발생 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 압축된 펄스 신호를 출력해냄으로써 부하로서 사용될 수 있는 안테나의 개구면을 작아지게 하는 펄스 신호 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전원 전압으로서 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 직류 전원을 1차 승압하는 교류-직류 변환부, 상기 1차 승압된 직류 전원을 펄스 신호로 변환하고 상기 변환된 펄스 신호를 2차 승압하는 고압 펄스 신호 생성부, 상기 2차 승압된 펄스 신호의 상승 시간을 감소시켜 펄스 폭을 1차 압축하는 고압 펄스 신호 구동부, 및 상기 1차 압축된 펄스 신호를 이용하여 개방형 다이오드 스위치에 역기전력을 인가하고 상기 역기전력에 의한 역방향 회복 과정에서 생성되는 전환 전류 흐름에 따라 2차 압축된 펄스 신호가 출력되도록 하는 고압 펄스 신호 출력부를 포함하는 펄스 신호 발생 장치가 제공된다.
상기 교류-직류 변환부는, 상기 교류 전원을 정류하여 상기 직류 전원으로 변환하는 교류-직류 변환회로, 및 상기 교류-직류 변환회로에 의해 변환된 상기 직류 전원에 대해 상기 1차 승압을 수행하는 1차 승압 회로를 포함할 수 있다.
상기 고압 펄스 신호 생성부는, 상기 1차 승압된 직류 전원을 상기 펄스 신호로 변환하는 사이리스터 스위치 회로, 및 상기 사이리스터 스위치 회로에 의해 변환된 상기 펄스 신호에 대해 상기 2차 승압을 수행하는 2차 승압 회로를 포함할 수 있다.
상기 고압 펄스 신호 구동부는, 상기 1차 압축을 수행하는 펄스 압축 공진 회로를 포함하고, 상기 펄스 압축 공진 회로는, 상기 2차 승압된 펄스 신호가 전달되어 저장되는 제1 커패시터, 상기 제1 커패시터로 전달되는 상기 2차 승압된 펄스 신호 중 적어도 일부가 분기되어 흐르며, 상기 제1 커패시터에 상기 2차 승압된 펄스 신호의 저장이 완료될 때 단락 상태가 되는 제1 자기 포화 인덕터, 상기 제1 자기 포화 인덕터가 단락 상태가 될 때 상기 제1 커패시터에 저장된 상기 2차 승압된 펄스 신호가 상기 제1 자기 포화 인덕터를 통해 전달되어 저장되는 제2 커패시터, 및 상기 제2 커패시터에 전달되는 상기 2차 승압된 펄스 신호 중 적어도 일부가 분기되어 흐르며, 상기 제2 커패시터에 상기 2차 승압된 펄스 신호의 저장이 완료될 때 단락 상태가 되는 제2 자기 포화 인덕터를 포함할 수 있다.
상기 제2 커패시터에 상기 2차 승압된 펄스 신호가 저장되는 시간은 상기 제1 커패시터에 상기 2차 승압된 펄스 신호가 저장되는 시간에 비해 짧게 설정될 수 있다.
상기 제2 자기 포화 인덕터가 단락 상태가 될 때, 상기 제2 커패시터에 저장된 상기 2차 승압된 펄스 신호가 상기 1차 압축된 펄스 신호로서 상기 제2 자기 포화 인덕터를 통해 상기 고압 펄스 신호 출력부에 전달될 수 있다.
상기 고압 펄스 신호 출력부는, 상기 개방형 다이오드 스위치를 포함하는 개방형 다이오드 스위치 회로, 및 상기 개방형 다이오드 스위치 회로의 전단에 형성되며, 상기 전환 전류 흐름의 경로를 제공하는 펄스 신호 방전 회로를 포함할 수 있다.
상기 펄스 신호 방전 회로는, 상기 압축된 펄스 신호가 전달되어 저장하는 커패시터, 상기 커패시터에 전달되는 상기 1차 압축된 펄스 신호 중 적어도 일부가 분기되어 흐르며, 상기 커패시터에 상기 1차 압축된 펄스 신호의 저장이 완료될 때 단락 상태가 되는 자기 포화 인덕터, 및 상기 커패시터 전단에 형성되는 인덕터를 포함할 수 있다.
상기 커패시터에 상기 1차 압축된 펄스 신호가 전달되어 저장되는 동안에는, 상기 1차 압축된 펄스 신호가 상기 개방형 다이오드 스위치에 순방향으로 인가되고, 상기 커패시터에 상기 1차 압축된 펄스 신호의 저장이 완료되어 상기 자기 포화 인덕터가 단락 상태가 되는 경우에는, 상기 커패시터에 저장된 상기 1차 압축된 펄스 신호가 상기 커패시터, 상기 인덕터, 상기 자기 포화 인덕터를 따라 상기 개방형 다이오드 스위치에 역방향으로 인가되어 상기 역기전력을 인가할 수 있다.
상기 역기전력은 상기 1차 압축된 펄스 신호가 상기 개방형 다이오드 스위치에 순방향으로 인가되는 동안 활성화된 전자, 정공 반송자들이 확산되어 소멸될 때까지 유지되며, 상기 전자, 정공 반송자들이 소멸된 후에는 상기 개방형 다이오드 스위치가 개방 상태로 되는 상기 역방향 회복 과정이 발생된다.
상기 펄스 신호 발생 장치는, 상기 고압 펄스 신호 출력부로부터 출력되는 상기 2차 압축된 펄스 신호를 입력받아 3차 압축된 펄스 신호를 출력하는 고압 펄스 신호 성형부를 더 포함하고, 상기 개방형 다이오드 스위치가 개방 상태가 된 후에는 상기 커패시터에 저장된 상기 1차 압축된 펄스 신호가 상기 커패시터, 상기 인덕터, 상기 자기 포화 인덕터를 포함하는 상기 전환 전류 흐름의 경로를 따라 상기 2차 압축된 펄스 신호로서 상기 고압 펄스 신호 성형부에 입력될 수 있다.
상기 고압 펄스 신호 성형부는, 단락형 다이오드 스위치를 포함하고, 상기 2차 압축된 펄스 신호는 상기 단락형 다이오드 스위치에 역방향으로 인가되어 상기 단락형 다이오드 스위치의 역기전력을 상승시키고, 상기 역기전력이 정해진 값 이상이 되는 경우에는 상기 단락형 다이오드 스위치가 도통되어 상기 3차 압축된 펄스 신호가 출력될 수 있다.
펄스 신호 복사 시스템은, 상기 고압 펄스 신호 성형부로부터 출력되는 상기 3차 압축된 펄스 신호가 인가되는 부하부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 펄스 신호 발생 장치가 소정 전원 전압을 인가받아 이를 고전압 초단폭을 갖는 펄스 신호로 변환하고 출력해낼 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 압축된 초단폭의 펄스 신호가 출력되기 때문에, 부하로서 사용될 수 있는 안테나의 개구면이 작아질 수 있다.
본 발명의 펄스 발생 장치는 지반 탐사 레이더, 초광대역 투과 레이더, 펄스 레이더 등 임펄스 신호를 매개로 한 모든 송신 장치에 효과적으로 활용될 수 있다.
도 1은 종래 인덕티브 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생 장치를 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 신호 발생 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 신호 발생 장치의 회로 구성을 나타내는 회로도이다.
도 4a 내지 도 4e는 도 3에 도시되는 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시되는 회로의 특정 노드에서의 출력 파형을 나타내는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따라 펄스 신호가 압축되는 과정을 실측한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 신호 발생 장치에서 출력되는 펄스 신호의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 신호 발생 장치를 통해 복사성 고강도 전계를 구현한 경우의 전계 강도를 나타내는 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
[본 발명의 바람직한 실시예]
펄스 신호 발생 장치의 구성
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 신호 발생 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 펄스 신호 발생 장치는 교류-직류 변환부(210), 고압 펄스 신호 생성부(220), 고압 펄스 신호 구동부(230), 고압 펄스 신호 출력부(240), 고압 펄스 신호 성형부(250)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 고압 펄스 신호 성형부(250)로부터 출력되는 펄스 신호가 인가되는 부하부(260)가 더 포함될 수도 있다.
교류-직류 변환부(210)는 전원 전압으로서 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 변환된 직류 전원을 1차 승압하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 교류-직류 변환부(210)는 교류 전원을 정류하여 직류 전원으로 변환하는 교류-직류 변환 회로(211), 교류-직류 변환 회로(211)에 의해 직류로 변환된 직류 전원에 대해 1차 승압을 수행하는 1차 승압 회로(212)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 교류-직류 변환부(210)는 220V의 교류 전원을 입력받아 수 kV의 승압된 직류 전원을 출력할 수 있다.
고압 펄스 신호 생성부(220)는 교류-직류 변환부(210)로부터 출력되는 1차 승압된 직류 전원을 펄스 신호로 변환하고, 변환된 펄스 신호를 2차 승압하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 고압 펄스 신호 생성부(220)는 1차 승압된 직류 전원을 펄스 신호로 변환하는 사이리스터(thyristor) 스위치 회로(221), 사이리스터 스위치 회로(221)에 의해 변환된 펄스 신호에 대해 2차 승압을 수행하는 2차 승압 회로(222)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고압 펄스 신호 생성부(220)는 교류-직류 변환부(210)로부터 수 kV의 직류 전원을 입력받아 수십 kV의 첨두 전압과 수 ㎲의 상승 시간을 갖는 펄스 신호를 출력할 수 있다.
고압 펄스 신호 구동부(230)는 고압 펄스 신호 생성부(220)로부터 출력되는 2차 승압된 펄스 신호의 상승 시간을 감소시켜 펄스 폭을 1차 압축하는 기능을 수행한다. 이를 위해 고압 펄스 신호 구동부(230)는 펄스 폭에 대한 1차 압축을 수행하는 펄스 압축 공진 회로를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고압 펄스 신호 구동부(230)는 고압 펄스 신호 생성부(220)로부터 수십 kV의 첨두 전압과 수 ㎲의 상승 시간을 갖는 펄스 신호를 입력받아 수십 kV의 첨두 전압과 수 ㎱의 상승 시간을 갖는 1차 압축된 펄스 신호를 출력할 수 있다.
고압 펄스 신호 출력부(240)는 고압 펄스 신호 구동부(230)로부터 출력되는 1차 압축된 펄스 신호를 이용하여 개방형 다이오드 스위치에 역기전력을 인가하고 이러한 역기전력에 의한 역방향 회복 과정에서 생성되는 전환 전류 흐름에 따라 2차 압축된 펄스 신호가 출력되도록 하는 기능을 수행한다. 이를 위해 고압 펄스 신호 출력부(240)는 개방형 다이오드 스위치(SOS; Semiconductor Opening Switch)를 포함하는 개방형 다이오드 스위치 회로(241), 개방형 다이오드 스위치 회로의 전단에 형성되어 전환 전류 흐름의 경로를 제공하는 펄스 신호 방전 회로(242)를 포함할 수 있다. 전환 전류 흐름의 경로를 따라 흐르는 2차 압축된 펄스 신호는 고압 펄스 신호 성형부(250)에 인가될 수 있다.
고압 펄스 신호 성형부(250)는 고압 펄스 신호 출력부(240)로부터 출력되는 2차 압축된 펄스 신호를 입력받아 3차 압축된 고압 펄스 신호를 출력하는 기능을 수행한다. 이를 위해 고압 펄스 신호 성형부(250)는 단락형 다이오드 스위치(DBD; Delayed Breakdown Diode)를 포함할 수 있다. 고압 펄스 신호 성형부(250)로부터 출력되는 초단폭의 3차 압축된 펄스 신호는 부하부(260)에 인가될 수 있다.
부하부(260)는 고압 펄스 신호 성형부(250)로부터 출력되는 3차 압축된 펄스 신호가 인가되는 부분으로서, 수십 kV의 고전력 펄스 신호에 대해 절연 내압 특성이 우수한 소정의 임피던스 소자로 구현되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 부하부(260)는 최종적으로 출력되는 초단폭의 3차 압축된 펄스 신호를 입력받아 에너지를 복사하는 소정의 안테나일 수 있다.
도 3은 도 2에 도시되는 펄스 신호 발생 장치에 포함되는 각 구성요소의 구성을 상세히 나타내는 회로도이며, 도 4a 내지 도 4e는 도 3에 도시되는 회로에서의 신호 흐름 과정을 나타내는 도면이다. 또한, 도 5는 특정 노드에서의 출력 파형을 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 교류-직류 변환부(210)의 교류-직류 변환 회로(211)는 일 이상의 브릿지 다이오드(BD), 제1 인덕터(L1), 제1 커패시터(C1), 스위치(SW), 블로킹 다이오드(D1)를 포함하여 구성될 수 있다. 브릿지 다이오드(BD)는 전원 전압으로서 입력되는 교류 전원을 정류하여 직류 전원으로 변환한다. 브릿지 다이오드(BD)에 의해 정류된 직류 전원은 제1 인덕터(L1)를 거쳐 제1 커패시터(C1)에 저장될 수 있다. 제1 커패시터(C1)에 저장된 직류 전원은 소정 제어 신호에 따라 제어되는 스위치(SW)를 거쳐 제1 승압 회로(212)에 전달될 수 있다. 스위치(SW)는 게이트에 입력되는 제어 신호에 의해 온/오프 상태가 결정되는 게이트 제어 스위치로 구현될 수 있다. 일례로서, 스위치(SW)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT; Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구현될 수 있다. 스위치(SW)의 동작을 제어하는 제어 신호는 외부 또는 펄스 신호 발생 장치 내부에서 입력되는 트리거 신호일 수 있다. 트리거 신호는 펄스 신호 발생 장치의 전체 동작에 대한 시작을 제어하는 신호로 사용될 수 있다. 트리거 신호가 입력되면 스위치(SW)는 온 상태가 되고 제1 커패시터(C1)에 저장되었던 직류 전원이 1차 승압 회로(212)로 전달될 수 있다. 스위치(SW)의 후단에는 스위치(SW)를 통과한 직류 전원이 1차 승압 회로(212)의 입력단으로 정상적으로 전달될 수 있도록 하고, 역전류의 흐름을 방지하는 블로킹 다이오드(D1)가 포함될 수 있다. 이러한 교류-직류 변환 회로(211)의 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과하며 이와는 다른 형태의 통상적인 교류-직류 변환 회로로 대체될 수도 있다.
한편, 교류-직류 변환부(210)의 1차 승압 회로(212)는 제1 변압기(TR1), 제2 커패시터(C2)를 포함할 수 있다. 제1 변압기(TR1)는 교류-직류 변환 회로(211)로부터 전달되는 직류 전원의 전압을 승압시킨다. 제1 변압기(TR1)에 의한 승압의 정도는 제1 변압기(TR1)의 권선비에 따라 달라지는데, 전원전압으로서 입력되는 교류 전원의 크기, 교류-직류 변환 회로(211)로부터 전달되는 직류 전원의 크기, 승압하여 출력하고자 하는 직류 전원의 크기 등을 고려하여 제1 변압기(TR1)의 권선비를 조절할 수 있다. 제1 변압기(TR1)에 의해 승압된 직류 전원은 제2 커패시터(C2)에 저장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 펄스 신호 생성부(220)의 사이리스터 스위치 회로(221)는 교류-직류 변환부(210)의 1차 승압 회로(212)에서 출력되는 직류 전원을 입력 신호(Vin)로 받아들인다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 1차 승압 회로(212)의 제2 커패시터(C2)에 저장된 직류 전원이 사이리스터 스위치 회로(221)의 입력 신호(Vin)로서 사용된다. 이러한 입력 신호(Vin)의 파형은 도 5에 도시되는 바와 같다. 사이리스터 스위치 회로(221)는 사이리스터 스위치(SCR), 제2 인덕터(L2)를 포함할 수 있다. 사이리스터 스위치(SCR)는 입력되는 제어 신호에 따라 온/오프가 결정되는 스위치이다. 사이리스터 스위치(SCR)는 실리콘 제어 정류기(SCR; Silicon Controlled Rectifier)의 일종으로 구현될 수 있으므로 그 참조부호를 "SCR"로 하기로 한다. 사이리스터 스위치(SCR)의 제어 신호는 교류-직류 변환부(210)의 교류-직류 변환 회로(211)에 포함되는 스위치(SW)에 인가되는 제어 신호와 동일할 수 있다. 즉, 스위치(SW) 및 사이리스터 스위치(SCR)의 제어 신호는 전체 펄스 신호 발생 장치를 동작시키기 위한 트리거 신호일 수 있다. 스위치(SW)는 상대적으로 저전압을 입력받기 때문에, 대용량 전원 입력에는 적합하지 않지만 온/오프 속도는 빠른 스위치, 예를 들면, 절연 게이트 양극성 트랜지스터로 구현될 수 있는 한편, 사이리스터 스위치(SCR)는 승압된 신호(예를 들면, 수 kV로 승압된 신호)를 입력받기 때문에 온/오프 속도는 느릴지라도 대용량 신호 입력에 적합한 스위치로 구현된다. 따라서, 트리거 신호가 입력될 때, 스위치(SW)는 직류 전원을 출력해낼 수 있고, 사이리스터 스위치(SCR)는 1차 승압 회로(212)에 의해 승압된 직류 전원을 입력 신호(Vin)로서 인가받아 펄스 신호를 출력해낼 수 있다. 사이리스터 스위치(SCR)에 의해 변환되어 생성된 펄스 신호는 제2 승압 회로(222)에 입력된다.
고압 펄스 신호 생성부(220)의 2차 승압 회로(222)는 제2 변압기(TR2)를 포함한다. 제2 변압기(TR2) 또한 1차 승압 회로(212)의 제1 변압기(TR1)와 같이 권선비에 따라 결정되는 승압 정도에 따라 사이리스터 스위치 회로(221)에 의해 변환된 펄스 신호를 승압시킨다. 도 4a는 사이리스터 스위치 회로(221)의 사이리스터 스위치(SCR)가 온 상태가 되어 입력되는 직류 전원을 펄스 신호로 변환하는 동작을 수행하고, 2차 승압 회로(222)의 제2 변압기(TR2)에 의해 승압이 수행되는 경우의 전류 흐름을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 펄스 신호 구동부(230)는 펄스 폭을 1차 압축하는 펄스 압축 공진 회로를 포함한다. 펄스 압축 공진 회로는 고압 펄스 신호 생성부(220)의 2차 승압 회로(222)에 의해 승압된 펄스 신호가 전달되어 저장되는 제3 커패시터(C3), 제3 커패시터(C3)로 전달되는 펄스 신호의 일부가 분기되어 흐르며, 제3 커패시터(C3)에 펄스 신호의 저장이 완료될 때 단락 상태가 되는 제1 자기 포화 인덕터(MS1), 제1 자기 포화 인덕터(MS1)가 단락 상태가 될 때 제3 커패시터(C3)에 저장된 펄스 신호가 제1 자기 포화 인덕터(MS1)를 통해 전달되어 저장되는 제4 커패시터(C4), 제4 커패시터(C4)에 전달되는 펄스 신호 중 일부가 분기되어 흐르며 제4 커패시터(C4)에 펄스 신호의 저장이 완료되었을 때 단락 상태가 되는 제2 자기 포화 인덕터(MS2)를 포함할 수 있다. 제3 커패시터(C3)는 고압 펄스 신호 생성부(220)로부터 출력되는 펄스 신호를 임시 저장하는 기능 또한 수행할 수 있다. 자기 포화 인덕터(MS1, MS2)는 기본적으로 인덕터로서의 기능을 가지나 소정 값 이상의 전류가 흐르게 되면 인덕터로서의 기능을 잃고 단락이 되는 수동 스위치이다. 고압 펄스 신호 구동부(230)의 펄스 압축 공진 회로의 동작을 설명하면 다음과 같다. 고압 펄스 신호 생성부(220)의 사이리스터 스위치 회로(221)에 포함되는 사이리스터 스위치(SCR)가 온 상태가 됨에 따라 사이리스터 스위치(SCR)에 의해 변환된 펄스 신호는 입력 신호(Vin)의 양극단(+)-사이리스터 스위치(SCR)-제2 인덕터(L2)-제2 변압기(TR2)-제3 커패시터(C3)를 따라 흐르게 되는데, 이와 동시에 일부 펄스 신호는 제1 자기 포화 인덕터(MS1) 방향으로 분기된다. 즉, 펄스 신호 중 일부는 입력 신호(Vin)의 양극단(+)-사이리스터 스위치(SCR)-제2 인덕터(L2)-제2 변압기(TR2)-제1 자기 포화 인덕터(MS1)-제4 커패시터(C4)를 따라 흐르게 된다. 2차 승압 회로(222)의 제2 변압기(TR2)에 의해 승압된 펄스 신호는 제3 커패시터(C3)에 임시 저장되는데, 제3 커패시터(C3)가 최대 전압까지 충전되는 시점에 제1 자기 포화 인덕터(MS1)에는 포화 전류가 흐르게 되고, 제1 자기 포화 인덕터(MS1)는 단락상태가 된다. 제3 커패시터(C3)의 충전 시간 및 방전 시간은 제2 인덕터(L2), 제2 변압기(TR2), 제3 커패시터(C3)로 구성되는 공진 회로의 공진 주파수에 따라 결정되는데, 이 공진 주파수는 제2 변압기(TR2)의 2차 측, 즉, 제3 커패시터(C3) 측에서 바라본 제2 변압기(TR2)의 1차측 등가 인덕턴스 값 L1 , eq와 제3 커패시터(C3)의 커패시턴스 값으로 결정되며, 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112010045581198-pat00001
제3 커패시터(C3)에 펄스 신호가 충전되는 시간은 위 공진 주파수의 역수의 1/2에 해당하는 시간이며, 아래의 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112010045581198-pat00002
제3 커패시터(C3)가 완전히 충전되는 동안 제1 자기 포화 인덕터(MS1)에는 포화 상태의 전류가 흐르게 되어 단락된다. 이에 따라, 제3 커패시터(C3)에 저장된 펄스 신호는 단락 상태인 제1 자기 포화 인덕터(MS1)를 거쳐 제4 커패시터(C4)에 전달된다. 도 4b는 이 때의 펄스 신호 경로를 나타낸다. 도 4b를 참조하면, 제1 자기 포화 인덕터(MS1)가 단락 상태가 되는 경우, 펄스 신호의 경로는 제3 커패시터(C3)-제1 자기 포화 인덕터(MS1)-제4 커패시터(C4)를 따르게 된다. 제4 커패시터(C4)를 향해 흐르는 펄스 신호 중 일부는 제2 자기 포화 인덕터(MS2) 방향으로 분기되어 흐르게 되는데, 제4 커패시터(C4)에 펄스 신호가 저장되는 동작이 완료되는 시점에 제2 자기 포화 인덕터(MS2)에는 포화 전류가 흐르게 되어 단락 상태가 된다. 제4 커패시터(C4)의 충전 시간은 제3 커패시터(C3), 제1 자기 포화 인덕터(MS1), 제4 커패시터(C4)로 구성되는 공진 회로의 공진 주파수에 따라 결정되는데, 이 공진 주파수는 제1 자기 포화 인덕터(MS1)의 포화 인덕턴스 값 LMS1 , sat, 제3 커패시터(C3)와 제4 커패시터(C4)의 직렬 합성 커패시턴스 값에 의해 결정된다. 이는 아래의 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112010045581198-pat00003
제4 커패시터(C4)의 충전 시간은 위 공진 주파수의 역수에 해당하는 시간의 1/2과 같다. 이는 다음의 수학식 4와 같이 표현된다.
Figure 112010045581198-pat00004
전술한 바와 같이, 제4 커패시터(C4)에 펄스 신호의 저장이 완료되는 시점에서는 제2 자기 포화 인덕터(MS2)에 포화 전류가 흘러 단락되고 펄스 신호는 제3 커패시터(C3)-제1 자기 포화 인덕터(MS1)-제2 자기 포화 인덕터(MS2)를 거쳐 1차 압축된 펄스 신호로서 고압 펄스 신호 출력부(240)로 전달된다. 제4 커패시터(C4)에 펄스 신호의 저장이 완료되는 동안 제1 자기 포화 스위치(MS1)의 코어 손실 및 전송 선로가 가지는 손실을 제외하고는 제3 커패시터(C3)에 충전되었던 에너지가 모두 제4 커패시터(C4)로 전달될 수 있도록 제3 커패시터(C3)의 충전 시간과 제2 자기 포화 스위치(MS2)가 단락되는 시간을 정확히 예측하여 구현하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제2 자기 포화 스위치(MS2)에 포화 전류가 흘러 단락되는 시간은 제4 커패시터(C4)에 모든 펄스 신호가 저장되는 시간에 비해 길어야 한다. 위 수학식 4로 표현되는 시간이 수학식 3으로 표현되는 시간에 비해 짧다면, 펄스 신호는 제3 커패시터(C3)에서 제4 커패시터(C4)로 전달됨에 따라 그 폭이 압축된다는 것이다. 제3 커패시터(C3)에 저장되었던 펄스 신호의 파형과 제4 커패시터(C4)로 전달된 펄스 신호 파형의 일례가 도 5에 각각 VC3와 VC4로 도시되는데, 제3 커패시터(C3)에서 제4 커패시터(C4)로 펄스 신호가 전달됨에 따라 그 폭이 압축되었다는 것을 확인할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수 ㎲의 상승 시간을 갖는 펄스 신호가 수 ns의 상승 시간을 갖는 펄스 신호로 1차 압축될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 펄스 신호 출력부(240)의 개방형 다이오드 스위치 회로(241)는 개방형 다이오드 스위치(SOS)를 포함할 수 있다. 또한, 펄스 신호 방전 회로(242)는 제3 자기 포화 인덕터(MS3), 제3 인덕터(L3), 제5 커패시터(C5)를 포함할 수 있다. 고압 펄스 신호 구동부(230)에 의해 1차 압축된 펄스 신호는 제3 인덕터(L3)를 거쳐 제5 커패시터(C5)에 전달되어 저장된다. 도 4c는 이 때의 펄스 신호의 흐름 경로를 나타낸다. 즉, 고압 펄스 신호 구동부(230)의 펄스 압축 공진 회로에 포함되는 제4 커패시터(C4)에 저장되었던 1차 압축된 펄스 신호가 제2 자기 포화 인덕터(MS2)-제3 인덕터(L3)를 거쳐 제5 커패시터(C5)에 저장되고, 개방형 다이오드 스위치 회로(241)에 순방향으로 인가된다. 한편, 고압 펄스 신호 구동부(230)로부터 전달되는 1차 압축된 펄스 신호 중 일부는 분기되어 제3 자기 포화 인덕터(MS3)로 흐르게 된다. 제5 커패시터(C5)에 1차 압축된 펄스 신호의 충전이 완료되는 시점에 제3 자기 포화 인덕터(MS3)에는 포화 전류가 흐르게 되며, 이에 따라 단락 상태가 된다. 제5 커패시터(C5)에 1차 압축된 펄스 신호가 저장되는 시간은 제4 커패시터(C4)와 제5 커패시터(C5)의 직렬 합성 커패시턴스, 제2 자기 포화 인덕터(MS2)와 제3 인덕터(L3)의 직렬 합성 인덕턴스 값에 의해 결정되는 공진 회로의 공진 주파수에 따라 결정된다. 이러한 공진 주파수는 다음과 같은 수학식 5로 표현될 수 있다.
Figure 112010045581198-pat00005
여기서, LMS2,sat은 자기 포화 인덕터(MS2)의 포화 인덕턴스 값이다.
제5 커패시터(C5)에 1차 압축된 펄스 신호가 저장되는 시간은 위 공진 주파수의 역수에 해당하는 시간의 1/2과 같으며, 아래의 수학식 6과 같이 표현된다.
Figure 112010045581198-pat00006
수학식 6으로 표현되는 제5 커패시터(C5)에 1차 압축된 펄스 신호의 저장이 완료되는 시간이 수학식 4로 표현되는 제4 커패시터(C4)의 충전 시간보다 짧다면, 펄스 신호는 제4 커패시터(C4)에서 제5 커패시터(C5)로 전달됨에 따라 더욱 압축될 수 있다. 제5 커패시터(C5)에 저장되는 펄스 신호 파형을 도 5에 VC5로 도시하였는데, 이를 통해, 제4 커패시터(C4)에서 제5 커패시터(C5)로 펄스 신호가 전달됨에 따라 그 폭이 더욱 압축되었다는 것을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제5 커패시터(C5)에 1차 압축된 펄스 신호가 저장되는 동안 해당 펄스 신호는 개방형 다이오드 스위치 회로(241)의 개방형 다이오드 스위치(SOS)에 순방향으로 인가되기 때문에, 개방형 다이오드 스위치(SOS)는 도통 상태가 된다. 이 때, 개방형 다이오드 스위치(SOS)에서는 다수의 전자, 정공 반송자들이 활성화된다. 개방형 다이오드 스위치(SOS)는 양단에 소정 값 이상의 기전력이 걸리면 개방 상태가 되는 소자인데, 이러한 개방형 다이오드 스위치(SOS)의 도통 시간은 제5 커패시터(C5)에 1차 압축된 펄스 신호의 저장이 완료되는 시간과 동일하게 조절되는 것이 바람직하다. 이는 최종적으로 출력되는 펄스 신호의 폭과 관계되는 개방형 다이오드 스위치(SOS)의 역방향 회복 과정 시간과 관련되기 때문이다. 역방향 회복 과정에 대해서는 후술하기로 한다. 수학식 6에서 알 수 있는 바와 같이 제5 커패시터(C5)에 1차 압축된 펄스 신호가 저장되는 시간은 제4 커패시터(C4) 및 제5 커패시터(C5)의 커패시턴스 값, 제2 자기 포화 인덕터(MS2)의 포화 인덕턴스 값에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 개방형 다이오드 스위치(SOS)에 순방향으로 펄스 신호가 인가되어 도통되는 시간은 제4 커패시터(C4) 및 제5 커패시터(C5), 제2 자기 포화 인덕터(MS2)의 설계 제약 요인으로 작용하게 된다. 통상적으로 고전력 커패시터의 커패시턴스 값은 nF 이하로는 다양하게 존재하지 않기 때문에 제2 자기 포화 인덕터(MS2)의 포화 인덕턴스 값을 조절하여 원하는 만큼의 도통 시간이 구현될 수 있도록 하고, 제3 인덕터(L3)는 제2 자기 포화 인덕터(MS2)의 포화 인덕턴스 값이 정확히 맞춰지지 않을 때 공심 인덕터를 통해 도통 시간과 관련되는 인덕턴스 값을 조절하기 위한 가변 요소로 작용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 개방형 다이오드 스위치(SOS)의 도통 시간은 수십 ns초일 수 있다. 개방형 다이오드 스위치(SOS)의 도통 시간 동안 제5 커패시터(C5)에는 1차 압축된 펄스 신호가 완전히 저장되고, 전술한 바와 같이 개방형 다이오드 스위치(SOS)에는 활성화된 전자, 정공 반송자들이 존재하게 된다. 커패시터(C5)에 1차 압축된 펄스 신호의 저장이 완료되어 제3 자기 포화 스위치(MS3)가 단락 상태가 되면, 제5 커패시터(C5)에 저장된 1차 압축된 펄스 신호가 제3 인덕터(L3)-제3 자기 포화 인덕터(MS3)를 거쳐 개방형 다이오드 스위치(SOS)에 역방향으로 인가된다. 이러한 펄스 신호의 흐름 경로가 도 4d에 도시된다. 이러한 경로를 따라 흐르는 펄스 신호는 개방형 다이오드 스위치(SOS)에 순간적으로 역기전력을 인가하게 되며, 이에 따라, 개방형 다이오드 스위치(SOS)에 존재하던 다수의 전자, 정공 반송자들이 역기전력 방향으로 확산되어 소멸되게 된다. 전자, 정공 반송자들이 확산되어 소멸되면 개방형 다이오드 스위치(SOS)는 비활성 상태로 되어 개방된다. 개방형 다이오드 스위치(SOS)에 역기전력이 인가된 후 비활성 상태로 전환되면, 펄스 신호의 흐름은 도 4e에 도시되는 경로를 따르게 된다. 즉, 제5 커패시터(C5)에 저장되었던 펄스 신호가 제3 인덕터(L3)-제3 자기 포화 인덕터(MS3)를 거쳐 고압 펄스 신호 성형부(250)로 인가된다. 이렇게 개방형 다이오드 스위치(SOS)의 도통 상태에서 활성화되었던 전자, 정공 반송자들이 소멸될 때까지 역기전력이 유지되다가, 전자, 정공 반송자들이 소멸됨에 따라 개방형 다이오드 스위치(SOS)가 비활성 상태, 즉, 개방 상태로 되는 과정을 역방향 회복 과정(Reverse Recovery Process)이라 한다. 역방향 회복 시간에 따라 최종적으로 출력되는 펄스 신호의 상승 시간이 결정되는데, 개방형 다이오드 스위치(SOS)가 개방 상태가 되어 도 4e에 도시되는 바와 같은 펄스 신호의 흐름 경로가 형성될 때 고압 펄스 신호 성형부(250)로 흐르는 전류를 전환 전류(Commutation Current)라 한다. 이 때, 펄스 신호의 흐름 경로를 제공하는 제5 커패시터(C5), 제3 인덕터(L3), 제3 자기 포화 인덕터(MS3)가 고압 펄스 신호 출력부(240)의 펄스 신호 방전 회로(242)로서 기능하게 된다. 역방향 회복 과정에 따른 전환 전류는 순간적으로 형성되는데, 이에 따라 고압 펄스 신호 출력부(240)에서 2차 압축된 펄스 신호가 출력될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압 펄스 신호 성형부(250)는 고압 펄스 신호 출력부(240)에서 출력되는 2차 압축된 펄스 신호가 역방향으로 인가되는 단락형 다이오드 스위치(DBD)를 포함한다. 한편, 단락형 다이오드 스위치(DBD)의 전단에는 제4 인덕터(L4), 역전류의 흐름을 방지하는 블로킹 다이오드(D2)가 더 형성될 수 있다. 단락형 다이오드 스위치(DBD)는 소정값 이상의 역기전력이 인가될 시에 단락 상태가 되는 특성을 갖는 소자이다. 고압 펄스 신호 출력부(240)로부터 출력되는 2차 압축된 펄스 신호는 단락형 다이오드 스위치(DBD)에 역방향으로 인가되어 단락형 다이오드 스위치(DBD)의 역방향 전압을 상승시킨다. 단락형 다이오드 스위치(DBD)의 역방향 전압이 소정값 이상이 되는 경우에는 단락형 다이오드 스위치(DBD)가 순간적으로 단락 상태가 되어 도통된다. 이에 따라 2차 압축된 펄스 신호는 고압 펄스 신호 성형부(250)를 거치면서 더욱 압축되어 초단폭인 3차 압축된 펄스 신호로서 출력된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부하부(260)는 소정의 임피던스 소자일 수 있다. 전술한 바와 같이, 부하부(260)는 안테나일 수 있는데, 그 입력 임피던스 값은 도 3에 도시되는 바와 같이 50Ω일 수 있다. 이 경우, 임피던스 정합을 위해서는 부하부(260)에서 바라보았을 때 등가 임피던스가 50Ω이어야 한다. 임피던스 정합 조건이 만족되어야만 출력되는 초단폭의 3차 압축된 펄스 신호가 효과적으로 부하부(260)에 전달될 수 있다. 만약, 임피던스가 100% 부정합되는 경우에는 부하부(260)로의 에너지 전달이 전혀 이루어지지 않을 수 있다.
부하부(260)에서 바라보았을 때의 등가 임피던스 ρ는 아래의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010045581198-pat00007
이러한 ρ값이 50Ω에 정합되어야 출력되는 초단폭의 3차 압축된 펄스 신호가 왜곡 없이 100%의 효율로 부하부(260)에 전달될 수 있다. 이러한 점 및 전술한 단락형 다이오드 스위치(DBD)의 도통 시간을 고려하여 제3 자기 포화 인덕터(MS3)의 포화 인덕턴스 값, 제5 커패시터(C5)의 커패시턴스 값 등을 조절하여야 한다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 펄스 신호 구동부(230) 및 고압 펄스 신호 출력부(240)에서 펄스 신호가 압축되는 과정을 실측한 결과를 나타내는 그래프이다. 이를 위해 Tektronix의 P6015프로브(40kV, 65MHz)를 사용하였다. 도 6a 내지 도 6c는 각각 커패시터(C3, C4, C5)에서의 충전 파형 및 방전 파형을 나타내는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 커패시터(C3, C4, C5)를 따라 순차적으로 펄스 신호가 전달됨에 따라 그 폭이 압축된다는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 신호 발생 장치에서 출력되는 펄스 신호의 파형을 나타내는 그래프이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 신호 발생 장치에 고이득 임펄스 안테나를 연결하여 복사성으로 고강도 전계를 형성하도록 구현한 경우의 전계 강도를 나타내는 그래프이다.
도 8에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 펄스 신호 발생 장치로부터 출력되는 펄스 신호를 고이득 임펄스 안테나에 인가하면, 소정의 전계 강도가 형성된다. 도 8에는 3m 지점에서 수 kV/m의 펄스성 전계 강도가 형성되는 예가 도시되었다. 펄스 신호 방사 장치 등에서 처리 가능한 수신부 신호 레벨이 uV 수준임을 고려하면, 송수신 링크 상에서의 전력 여유도는 180dB을 상위하는 수준이라는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 펄스 신호 발생 장치는 탐지 거리 측면에 있어서 탁월한 성능을 낸다는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
210: 교류-직류 변환부
220: 고압 펄스 신호 생성부
230: 고압 펄스 신호 구동부
240: 고압 펄스 신호 출력부
250: 고압 펄스 신호 성형부
260: 부하부
211: 교류-직류 변환 회로
212: 1차 승압 회로
221: 사이리스터 스위치 회로
222: 2차 승압 회로
241: 개방형 다이오드 스위치 회로
242: 펄스 신호 방전 회로

Claims (13)

  1. 전원 전압으로서 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 직류 전원을 1차 승압하는 교류-직류 변환부,
    상기 1차 승압된 직류 전원을 펄스 신호로 변환하고 상기 변환된 펄스 신호를 2차 승압하는 고압 펄스 신호 생성부,
    상기 2차 승압된 펄스 신호의 상승 시간을 감소시켜 펄스 폭을 1차 압축하는 고압 펄스 신호 구동부, 및
    상기 1차 압축된 펄스 신호를 이용하여 개방형 다이오드 스위치에 역기전력을 인가하고 상기 역기전력에 의한 역방향 회복 과정에서 생성되는 전환 전류 흐름에 따라 2차 압축된 펄스 신호가 출력되도록 하는 고압 펄스 신호 출력부
    를 포함하는 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 교류-직류 변환부는,
    상기 교류 전원을 정류하여 상기 직류 전원으로 변환하는 교류-직류 변환회로, 및
    상기 교류-직류 변환회로에 의해 변환된 상기 직류 전원에 대해 상기 1차 승압을 수행하는 1차 승압 회로를 포함하는 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고압 펄스 신호 생성부는,
    상기 1차 승압된 직류 전원을 상기 펄스 신호로 변환하는 사이리스터 스위치 회로, 및
    상기 사이리스터 스위치 회로에 의해 변환된 상기 펄스 신호에 대해 상기 2차 승압을 수행하는 2차 승압 회로를 포함하는 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고압 펄스 신호 구동부는, 상기 1차 압축을 수행하는 펄스 압축 공진 회로를 포함하고, 상기 펄스 압축 공진 회로는,
    상기 2차 승압된 펄스 신호가 전달되어 저장되는 제1 커패시터,
    상기 제1 커패시터로 전달되는 상기 2차 승압된 펄스 신호 중 적어도 일부가 분기되어 흐르며, 상기 제1 커패시터에 상기 2차 승압된 펄스 신호의 저장이 완료될 때 단락 상태가 되는 제1 자기 포화 인덕터,
    상기 제1 자기 포화 인덕터가 단락 상태가 될 때 상기 제1 커패시터에 저장된 상기 2차 승압된 펄스 신호가 상기 제1 자기 포화 인덕터를 통해 전달되어 저장되는 제2 커패시터, 및
    상기 제2 커패시터에 전달되는 상기 2차 승압된 펄스 신호 중 적어도 일부가 분기되어 흐르며, 상기 제2 커패시터에 상기 2차 승압된 펄스 신호의 저장이 완료될 때 단락 상태가 되는 제2 자기 포화 인덕터
    를 포함하는 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 커패시터에 상기 2차 승압된 펄스 신호가 저장되는 시간은 상기 제1 커패시터에 상기 2차 승압된 펄스 신호가 저장되는 시간에 비해 짧은 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 자기 포화 인덕터가 단락 상태가 될 때, 상기 제2 커패시터에 저장된 상기 2차 승압된 펄스 신호가 상기 1차 압축된 펄스 신호로서 상기 제2 자기 포화 인덕터를 통해 상기 고압 펄스 신호 출력부에 전달되는 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고압 펄스 신호 출력부는,
    상기 개방형 다이오드 스위치를 포함하는 개방형 다이오드 스위치 회로, 및
    상기 개방형 다이오드 스위치 회로의 전단에 형성되며, 상기 전환 전류 흐름의 경로를 제공하는 펄스 신호 방전 회로를 포함하는 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 펄스 신호 방전 회로는,
    상기 1차 압축된 펄스 신호가 전달되어 저장하는 커패시터,
    상기 커패시터에 전달되는 상기 1차 압축된 펄스 신호 중 적어도 일부가 분기되어 흐르며, 상기 커패시터에 상기 1차 압축된 펄스 신호의 저장이 완료될 때 단락 상태가 되는 자기 포화 인덕터, 및
    상기 커패시터 전단에 형성되는 인덕터를 포함하는 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 커패시터에 상기 1차 압축된 펄스 신호가 전달되어 저장되는 동안에는, 상기 1차 압축된 펄스 신호가 상기 개방형 다이오드 스위치에 순방향으로 인가되고,
    상기 커패시터에 상기 1차 압축된 펄스 신호의 저장이 완료되어 상기 자기 포화 인덕터가 단락 상태가 되는 경우에는, 상기 커패시터에 저장된 상기 1차 압축된 펄스 신호가 상기 커패시터, 상기 인덕터, 상기 자기 포화 인덕터를 따라 상기 개방형 다이오드 스위치에 역방향으로 인가되어 상기 역기전력을 인가하는 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 역기전력은 상기 1차 압축된 펄스 신호가 상기 개방형 다이오드 스위치에 순방향으로 인가되는 동안 활성화된 전자, 정공 반송자들이 확산되어 소멸될 때까지 유지되며, 상기 전자, 정공 반송자들이 소멸된 후에는 상기 개방형 다이오드 스위치가 개방 상태로 되는 상기 역방향 회복 과정이 발생되는 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고압 펄스 신호 출력부로부터 출력되는 상기 2차 압축된 펄스 신호를 입력받아 3차 압축된 펄스 신호를 출력하는 고압 펄스 신호 성형부를 더 포함하고,
    상기 개방형 다이오드 스위치가 개방 상태가 된 후에는 상기 커패시터에 저장된 상기 1차 압축된 펄스 신호가 상기 커패시터, 상기 인덕터, 상기 자기 포화 인덕터를 포함하는 상기 전환 전류 흐름의 경로를 따라 상기 2차 압축된 펄스 신호로서 상기 고압 펄스 신호 성형부에 입력되는 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 고압 펄스 신호 성형부는, 단락형 다이오드 스위치를 포함하고,
    상기 2차 압축된 펄스 신호는 상기 단락형 다이오드 스위치에 역방향으로 인가되어 상기 단락형 다이오드 스위치의 역기전력을 상승시키고, 상기 역기전력이 정해진 값 이상이 되는 경우에는 상기 단락형 다이오드 스위치가 도통되어 상기 3차 압축된 펄스 신호가 출력되는 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 고압 펄스 신호 성형부로부터 출력되는 상기 3차 압축된 펄스 신호가 인가되는 부하부를 더 포함하는 초단폭 고전압 펄스 신호 발생 장치.
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