KR101205958B1 - 고전압 광대역 펄스 부하장치 - Google Patents

고전압 광대역 펄스 부하장치 Download PDF

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유승갑
이경훈
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한국전자통신연구원
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Abstract

고전압 광대역 펄스 부하장치는 미리 정해진 특성 임피던스에 대응되는 저항값을 가지는 막대 저항을 포함하고, 막대 저항에 의해 저항값이 인입되는 펄스의 진행 방향을 따라 선형적으로 증가하는 내부 선로, 내부 선로의 주변을 감싸는 동축 구조로 내부 선로와 결합되고, 막대 저항의 저항값에 대응되어 펄스의 진행 방향을 따라 임피던스가 선형적으로 감소하도록 외경이 비선형적으로 작아지는 형상을 가지는 유전체, 그리고 유전체를 감싸는 동축 구조로 유전체와 결합되고, 금속 재질을 갖는 외부 전극을 포함한다.

Description

고전압 광대역 펄스 부하장치{HIGH-VOLTAGE WIDEBAND PULSE LOAD}
본 발명은 고전압 광대역 펄스 부하장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 고전압 펄스에 대해 광대역의 주파수 성능을 가지는 고전압 광대역 펄스 종단 부하장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 고전압 부하 장치를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고전압 부하 장치(10)는 복수 개의 세라믹 저항 소자(11)를 적층형(stack) 구조로 동축 선로 상에 배열하고, 케이블 종단 장치(12)를 통해 입력 임피던스를 50옴에 종단시킨 형상을 특징으로 한다.
고전압 부하 장치(10)는 HN 커넥터(HN connector)(13)를 입력 커넥터로 구성하고, 절연 내압을 확보하기 위해 유전체(14)를 오일로 구성한다.
세라믹 저항 소자(11)는 물리적 길이가 1 인치로 내부에 오일 처리가 되지 않은 상태이며, 고전위(high-voltage potential)를 형성하는 내전극과 접지선 사이 공간이 공기로 채워진 상태이다.
그러나, HN 커넥터(HN connector)(13)는 고전압 부하 장치(10)의 내직경 및 외직경이 특정 임피던스에 대응되도록 설계됨에 따라 제한된 내직경에 의해 고전압의 절연 내압을 가질 만큼 외직경의 크기가 크지 않기 때문에, 수십 킬로볼트의 펄스를 입력 받으면 HN 커넥터(HN connector)(13)에서 절연 파괴 현상이 나타날 수 있다. 또한, 병렬로 연결된 세라믹 저항 소자(11) 사이가 공기층으로 형성되기 때문에, 고전압에서 발생하는 코로나 현상에 의한 절연 파괴가 나타날 수 있다.
이와 같이, 종래의 고전압 부하 장치(10)는 고전압 펄스의 부하 장치로 사용하기 어려운 문제점이 있다.
도 2는 종래의 동축 케이블 부하 장치를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 동축 케이블 부하 장치(20)는 중심 전극(21)을 둘러싸는 외부 전극(22)의 반경을 점진적으로 작게 하여 동축 선로의 임피던스가 길이 축 방향으로 점점 작아지도록 제작하고, 유전체(23)의 표면에 저항 재질(24)을 도포하여 면 저항을 형성 시킨 구조를 가진다.
동축 케이블 부하 장치(20)는 도포된 표면 저항으로 흡수되는 열에너지가 금속 재질의 방열 구조로 제작된 외부 전극(22)으로 쉽게 전달되어 공랭 소멸될 수 있다.
동축 케이블 부하 장치(20)는 도포성 면저항을 사용한다는 점에서 구조적 특징을 가지며, 특정 임피던스로 면저항을 일정하게 도포시키기 어려운 문제가 있어 목적 임피던스의 정확한 구현이 어려운 문제가 있다.
이와 같이, 수 기가헤르츠(GHz) 이상의 동작 주파수 범위와 수십 킬로볼트(kV)의 고전압 펄스에 대한 종단 부하 장치를 구현하기 위해서는 광대역 주파수 성능과 높은 절연 전압 성능을 동시에 만족해야 하며, 이와 같은 두 가지 특성은 전기적으로 서로 상충하는 면이 있어 종래의 기술로는 해결할 수 없는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 고전압 펄스를 특정 부하 상태에서 시험하기 위해 광대역의 주파수 성능과 고전압에 대한 절연 내압 성능을 동시에 가지는 고전압 광대역 펄스 부하장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 특징에 따른 고전압 광대역 펄스 부하장치는 내부 선로, 유전체 및 외부 전극을 포함한다. 내부 선로는 미리 정해진 특성 임피던스에 대응되는 저항값을 가지는 막대 저항을 포함하고, 막대 저항에 의해 저항값이 인입되는 펄스의 진행 방향을 따라 선형적으로 증가한다. 유전체는 내부 선로의 주변을 감싸는 동축 구조로 내부 선로와 결합되고, 막대 저항의 저항값에 대응되어 펄스의 진행 방향을 따라 임피던스가 선형적으로 감소하도록 외경이 비선형적으로 작아지는 형상을 갖는다. 외부 전극은 유전체를 감싸는 동축 구조로 유전체와 결합되고, 금속 재질을 갖는다.
이때, 고전압 광대역 펄스 부하장치에서, 내부 선로의 저항값 및 유전체의 동축 임피던스에 의해 결정되는 합성 임피던스가 특성 임피던스에 대응된다.
또한, 고전압 광대역 펄스 부하장치에서, 유전체는 동축 임피던스에 의해 지수가 결정되는 지수함수에 따라 외경이 비선형적으로 작아지는 형상을 갖는다.
또한, 고전압 광대역 펄스 부하장치에서, 유전체는 외경이 내부 선로의 직경에 비례한다.
또한, 고전압 광대역 펄스 부하장치에서, 유전체는 입력 커넥터의 주변에 유전체의 표면 길이를 확장시키는 홈이 형성된다.
또한, 고전압 광대역 펄스 부하장치에서, 입력 커넥터는 연결 커넥터를 통해 막대 저항과 연결되고, 외부 단자를 통해 인입되는 펄스를 연결 커넥터를 통해 막대 저항으로 전달한다.
또한, 고전압 광대역 펄스 부하장치에서, 연결 커넥터는 막대 저항으로 전달되는 펄스의 발산 또는 반사를 방지하기 위해 막대저항과 직경이 동일하게 형성된다.
또한, 고전압 광대역 펄스 부하장치에서, 내부 선로는 입력 커넥터 및 연결 커넥터를 더 포함하고, 합성 임피던스는 입력 커넥터에서 연결 커넥터까지의 구간에서 동축 임피던스에 대응된다.
또한, 고전압 광대역 펄스 부하장치에서, 입력 커넥터는 하나 이상의 슬릿에 의해 외부 단자와 결합된다.
또한, 고전압 광대역 펄스 부하장치에서, 내부 선로는 막대 저항에 연결된 금속판을 관통하는 나사에 의해 접지와 연결된다.
본 발명의 특징에 따르면, 막대 저항의 물리적 길이가 입력 펄스의 파장에 비해 매우 길어, 막대 저항의 길이 방향을 따라 저항 값이 선형 증가되는 특징을 보이기 때문에, 이를 동축 구조 상에서 고정된 내경 대비 외경을 점진적으로 감소시켜 동축의 특성 임피던스가 길이 방향으로 선형 증가되는 막대 저항의 특성을 보상하는 효과를 가지게 함으로써, 동축 구조의 부하 장치 내 모든 지점에서 원하는 특성 임피던스를 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 특징에 따른 고전압 펄스의 부하 장치를 이용할 경우, 고가의 펄스 감쇠기를 대신하여 용량성 펄스 분압기 또는 프로브 장치로도 고전압 펄스의 파형을 시험할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 고전압 부하 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 동축 케이블 부하 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고전압 광대역 펄스 부하장치에 대한 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고전압 광대역 펄스 부하장치에 대한 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 부하 장치의 임피던스 특성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 입력 커넥터의 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 부하 장치의 주파수 영역 임피던스 특성을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 부하 장치의 시간 영역 임피던스 특성을 도시한 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 고지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 해당 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 각 요소 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이제, 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예에 따른 고전압 광대역 펄스 부하장치에 대해 설명한다.
먼저, 도 3 및 도 4를 참고하여 본 발명의 실시 예에 따른 고전압 광대역 펄스 부하장치에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고전압 광대역 펄스 부하장치에 대한 종단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고전압 광대역 펄스 부하장치에 대한 횡단면도이다.
도 3 또는 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 부하 장치(100)는 수십 킬로볼트(kV)의 첨두 전압, 수 나노초(ns) 이하의 상승시간, 수 나노초(ns) 이하의 펄스폭, 수 킬로헤르츠(kHz) 이하의 펄스 반복 주파수를 가지는 고전압 펄스를 50 옴(ohm) 또는 미리 정해진 특성 임피던스로 종단시키기 위한 것으로, 내부 선로(110), 유전체(120), 금속판(130), 나사(140) 및 외부 전극(150)을 포함한다.
내부 선로(110)는 길이 방향으로 고전압 펄스가 전파되며, 입력 커넥터(111), 연결 커넥터(113) 및 솔리드 저항(115)이 차례로 연결되어 형성된다.
입력 커넥터(111)는 외부 단자와 결합하기 위한 결합 홈이 일단에 형성되고, 연결 커넥터(113)와 결합하기 위한 기계요소가 타단에 형성된다. 이때, 입력 커넥터(111)는 나사선이 형성된 볼트 형상의 기계요소가 타단에 형성될 수 있다.
연결 커넥터(113)는 입력 커넥터(111)와 결합하기 위한 기계요소가 일단에 형성되고, 타단이 솔리드 저항(115)과 전기적으로 연결된다. 여기서, 연결 커넥터(113)의 타단은 솔리드 저항(115)과 동일한 직경을 갖는다. 또한, 연결 커넥터(113)는 나사선이 형성된 너트 형상의 기계요소가 일단에 형성될 수 있다.
이때, 연결 커넥터(113)와 솔리드 저항(115)의 연결 부위에서 직경의 차이가 있는 경우, 연결 커넥터(113)에서 솔리드 저항(115)으로 펄스를 전파하면 임피던스 불연속점이 발생하고, 임피던스 불연속점에서 발산 펄스(flinging pulse) 및 반사 펄스(reflecting pulse)가 발생하여 광대역의 주파수 성능을 얻을 수 없다. 따라서, 연결 커넥터(113)는 솔리드 저항(115)과 동일한 직경을 갖는다.
솔리드 저항(115)은 막대 모양으로 일단이 도전성 물질로 도포되어 연결 커넥터(113)와 전기적으로 연결되고, 타단이 금속판(130)을 관통하는 나사(140)와 접촉하여 접지와 연결된다. 여기서, 솔리드 저항(115)은 나사(140)가 조여지면 연결 커넥터(113)의 방향으로 압착되어 연결 커넥터(113)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 솔리드 저항(115)은 탄소 막대 저항에 해당하고, 인입되는 펄스의 파장보다 긴 길이를 가지며, 바람직하게는 5센티미터 이상의 길이를 가질 수 있다.
솔리드 저항(115)은 물리적인 길이가 인입되는 펄스의 파장보다 길어 집중 소자(Lumped Element)가 아닌 분포 소자(Distributed Element)로 해석되고 모든 표면적에 대해 동일한 면저항을 가질 수 있으며, 펄스가 인입되어 길이 방향으로 진행할 때 저항값이 선형적으로 증가하는 특징을 가질 수 있다.
유전체(120)는 재질에 따라 정해진 유전율을 갖고, 동축 구조로 내부 선로(110)를 감싸는 형태로 내부 선로(110)와 결합한다. 여기서, 유전체(120)는 입력 커넥터(111)를 감싸는 부분에 고리(Ring) 모양으로 음각된 홈(121)이 형성됨으로써 절연에 필요한 유전체 표면 길이를 증가시키고, 이를 통해 수십 킬로볼트 이상의 첨두 전압을 갖는 고전압의 펄스에 대한 절연 내압 성능을 개선할 수 있다.
외부 전극(150)는 금속 재질의 접지용 전극에 해당하고, 동축 구조로 유전체(120)를 감싸는 형태로 유전체(120)와 결합한다.
이때, 유전체(120)가 솔리드 저항(115)의 임피던스 분포 특성을 보완하여 부하 장치(100)의 모든 지점에서 미리 정해진 특성 임피던스를 가지도록, 솔리드 저항(115)을 감싸는 유전체(120)의 직경(D)은 수학식 1에 따라 결정된다.
Figure 112011038482900-pat00001
수학식 1에서, "Z"는 선로의 동축 임피던스를 나타내고, "μ0"는 진공 상태에서의 투자율을 나타내고, "μr"은 유전체(120)의 비투자율을 나타내고, "ε0"는 진공 상태에서의 유전율을 나타내고, "εr"은 유전체(120)의 비유전율을 나타내고, "D"는 유전체(120)의 직경을 나타내며, "d"는 내부 선로(110)의 직경을 나타낸다.
유전체(120)의 직경(D)는 수학식 1을 이용하여 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011038482900-pat00002
수학식 2에 따라, 유전체(120)의 동축 임피던스가 선형적으로 감소하는 경우, 솔리드 저항(115)을 감싸는 유전체(120)의 직경(D)은 지수(exponent)가 유전체(120)의 동축 임피던스 및 유전체(120)의 유전율에 대응되는 지수함수에 따라 결정될 수 있다. 이때, 솔리드 저항(115)을 감싸는 유전체(120)의 직경(D)은 내부 선로(110)의 직경에 비례한다.
따라서, 유전체(120)의 동축 임피던스가 선형적으로 감소하는 경우, 솔리드 저항(115)을 감싸는 유전체(120)의 직경(D)은 지수함수에 따라 작아지기 때문에, 솔리드 저항(115)을 감싸는 유전체(120)는 직경이 비선형적으로 작아지는 형상을 갖는다.
수학식 1에서, "C"는 입력 커넥터(111)와 접지가 특정 유전율을 가진 매질을 경계로 분리될 때, 입력 커넥터(111)와 접지 사이의 미소 면적(differential area)에 형성되는 등가적 커패시턴스를 나타내고, "C"는 수학식 3에 따라 결정된다.
Figure 112011038482900-pat00003
수학식 1에서, "L"은 내부 선로(110)와 유전체(120)로 구성된 동축 선로 구조에서 미소 길이(differential length)에 대한 등가적 인덕턴스를 나타내고, "L"은 수학식 4에 따라 결정된다.
Figure 112011038482900-pat00004
다음, 도 5를 참고하여 본 발명의 실시 예에 따른 부하 장치의 동축 구조에 따른 임피던스 특성에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 부하 장치의 임피던스 특성을 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 내부 선로(110)의 저항은 연결 커넥터(113)가 연결된 구간에서 0옴(ohm)을 갖고, 솔리드 저항(115)이 연결된 구간에서 선형적으로 증가하여 내부 선로(110)의 끝단에서 부하 장치(100)의 특성 임피던스에 해당하는 50옴을 갖는다.
반대로, 유전체(120)의 임피던스는 연결 커넥터(113)를 감싸는 구간에서 50옴을 갖고, 솔리드 저항(115)을 감싸는 구간에서 선형적으로 감소하여 유전체(120)의 끝단에서 0옴을 갖는다.
이때, 부하 장치(100)의 합성 임피던스는 내부 선로(100)의 저항과 유전체(120)의 임피던스로 결정된다. 따라서, 부하 장치(100)는 모든 지점에서 미리 정해진 특성 임피던스를 갖는다.
다음, 도 6을 참고하여 본 발명의 실시 예에 따른 입력 커넥터의 구조에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 입력 커넥터의 구조를 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 입력 커넥터(111)는 외부 단자와 결합하기 위한 결합 홈이 일단에 형성되고, 나사선이 형성된 볼트 형상의 기계요소가 타단에 형성된다.
여기서, 입력 커넥터(111)는 외부 단자와의 결합력을 향상시키기 위한 십자형 슬릿(slit)이 형성될 수 있다. 따라서, 입력 커넥터(111)는 탄성력을 가진 재질로 형성되며, 십자형 슬릿에 의해 외부 단자와 용이하게 결합된다.
다음, 도 7 및 도 8을 참고하여 본 발명의 실시 예에 따른 부하 장치의 임피던스 특성에 대해 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 부하 장치의 주파수 영역 임피던스 특성을 도시한 도면이다.
부하 장치(100)의 임피던스 특성은 소신호 산란계수(Scattering Parameter, S-Parameter) 측정을 통해 주파수 영역에서 입력 펄스에 대한 반사 펄스의 비율로 표현할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 부하 장치(100)의 주파수 영역 임피던스 특성은 10 기가헤르츠(GHz) 이상의 넓은 주파수 대역에서 -20 데시벨(dB) 이하의 반사 손실을 갖는다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 부하 장치의 시간 영역 임피던스 특성을 도시한 도면이다.
부하 장치(100)의 시간 영역 임피던스 특성은 시간 영역 반사계(Time Domain Reflectometry, TDR)을 통해 시간 영역에서 임피던스로 표현할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 부하 장치(100)를 50 옴(ohm)의 임피던스로 제작할 경우, 부하 장치(100)의 시간 영역 임피던스 특성이 50옴(Ohm)을 기준으로 5퍼센트(%)의 변화율 이내의 성능을 가짐을 보여준다.
이와 같이, 부하 장치(100)는 0에서 10 기가헤르츠(GHz)의 주파수 대역에서 50 옴(ohm)에 정합된 임피던스 특성을 갖는다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 고전압 부하 장치
11: 세라믹 저항 소자
12: 케이블 종단 구조
13: HN 커넥터
14: 유전체
20: 동축 케이블 부하 장치
21: 중심 전극
22: 외부 전극
23: 유전체
24: 저항 재질
100: 부하 장치
110: 내부 선로
111: 입력 커넥터
113: 연결 커넥터
115: 솔리드 저항
120: 유전체
121: 홈
130: 금속판
140: 나사
150: 외부 전극

Claims (10)

  1. 미리 정해진 특성 임피던스에 대응되는 저항값을 가지는 막대 저항을 포함하고, 상기 막대 저항에 의해 저항값이 인입되는 펄스의 진행 방향을 따라 선형적으로 증가하는 내부 선로;
    상기 내부 선로의 주변을 감싸는 동축 구조로 상기 내부 선로와 결합되고, 상기 막대 저항의 저항값에 대응되어 상기 펄스의 진행 방향을 따라 임피던스가 선형적으로 감소하도록 외경이 비선형적으로 작아지는 형상을 가지는 유전체; 및
    상기 유전체를 감싸는 동축 구조로 상기 유전체와 결합되고, 금속 재질을 갖는 외부 전극을 포함하고,
    상기 내부 선로의 저항값 및 상기 유전체의 동축 임피던스에 의해 결정되는 합성 임피던스가 상기 특성 임피던스에 대응되는 것을 특징으로 하는 고전압 광대역 펄스 부하장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유전체는
    상기 동축 임피던스에 의해 지수가 결정되는 지수함수에 따라 상기 외경이 비선형적으로 작아지는 형상을 가지는 고전압 광대역 펄스 부하장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 유전체는
    상기 외경이 상기 내부 선로의 직경에 비례하는 고전압 광대역 펄스 부하장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 유전체는
    입력 커넥터의 주변에 상기 유전체의 표면 길이를 확장시키는 홈이 형성되는 고전압 광대역 펄스 부하장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 입력 커넥터는
    연결 커넥터를 통해 상기 막대 저항과 연결되고, 외부 단자를 통해 인입되는 펄스를 상기 연결 커넥터를 통해 상기 막대 저항으로 전달하는 고전압 광대역 펄스 부하장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 연결 커넥터는
    상기 막대 저항으로 전달되는 펄스의 발산 또는 반사를 방지하기 위해 상기 막대저항과 직경이 동일하게 형성되는 고전압 광대역 펄스 부하장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 내부 선로는
    상기 입력 커넥터 및 상기 연결 커넥터를 더 포함하고,
    상기 합성 임피던스는
    상기 입력 커넥터에서 상기 연결 커넥터까지의 구간에서 상기 동축 임피던스에 대응되는 고전압 광대역 펄스 부하장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 입력 커넥터는
    하나 이상의 슬릿에 의해 상기 외부 단자와 결합되는 고전압 광대역 펄스 부하장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 선로는
    상기 막대 저항에 연결된 금속판을 관통하는 나사에 의해 접지와 연결되는 고전압 광대역 펄스 부하장치.
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