KR101342526B1 - 캐스케이드 전압 증폭기와 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지 활성화 방법 - Google Patents

캐스케이드 전압 증폭기와 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지 활성화 방법 Download PDF

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Abstract

스위칭 및 클래스 A 또는 클래스 C 증폭 구조로 구성된 전자관을 갖는 하나 이상의 비최종 스테이지를 포함하는 펄스 또는 연속파형으로 증폭된 출력을 생성하는 캐스케이드 전압 증폭기가 개시된다. 최종 스테이지는 클래스 A 또는 클래스 C 증폭 구조로 구성된 전자관을 포함한다. 하나 이상의 비최종 스테이지와 최종 스테이지는 직렬로 접속되고, 증폭된 출력은 적어도 1000볼트의 전압을 갖는다. 공통 진공 인클로저 내에 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지의 활성화 방법이 더 개시된다. 유익하게, 제 1 스테이지에 공급된 충분한 양의 에너지는 모든 관 스테이지의 활성화를 용이하게 하기 위해 어떤 간섭 스테이지를 통해 최종 스테이지에 연속적으로 전파된다.

Description

캐스케이드 전압 증폭기와 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지 활성화 방법{CASCADE VOLTAGE AMPLIFIER AND METHOD OF ACTIVATING A PLURALITY OF CASCADED ELECTRON TUBE STAGES}
본 발명은 펄스나 연속 형태의 증폭된 출력을 제공하는 클래스 A 또는 클래스 C 캐스케이드 전압 증폭기에 관한 것이다. 또한, 캐스케이드형 구조에서 복수의 전자관 스테이지를 활성화하는 방법에 관한 것이다.
고에너지 고전압 펄스의 생성은 다수의 모뎀 전자 부품에 대한 필수적인 요구이다. 이 타입의 펄스를 생성하는 선행 기술 회로는:
1. 코크로프트 월턴(Cockcroft-Walton) 전압 배율기
2. 막스 제너레이터(Marx generator)
3. 펄스 변조기
전 모든 선행 기술 회로는 개선되어야 하는 문제가 있다.
코크로프트 월턴 전압 배율기는 전압 배율기의 가장 간단한 타입이다. 최초로 핵물리학 실험에서 코크로프트와 월턴에 의해 1932년에 제조되었다. 고전압을 생성하는 커패시터와 다이오드의 전압 배율기 래더 네트워크로부터 형성된다. 변압기와 달리 코크로프트 월턴 전압 배율기는 철심 변압기를 이용하지 않는다. 오실레이터, 커패시터, 및 다이오드만을 이용하면 이들 전압 배율기가 비교적 저전압을 극도의 높은 값으로 향상시킬 수 있고, 동시에 변압기보다 상당히 가볍고 저렴하다. 그러한 전압 배율기에서, 캐스케이드의 각 스테이지에 걸친 전압은 피크 입력 전압의 2배만 대등하고 비교적 저가 요소의 이용의 이점을 갖는다.
그러나, 코크로프트 월턴 전압 배율기는 다수의 결함을 갖는다. 스테이지의 수가 증가하여 높은 스테이지의 전압은 낮은 스테이지에서 커패시터의 AC 임피던스 때문에 '새깅(sagging)'이 시작된다. 출력 전류가 공급될 때 전압 리플은 스테이지의 수가 증가함에 따라 신속하게 증가한다. 이러한 이유로, 다수의 스테이지를 갖는 코크로프트 월턴 전압 배율기는 통상적으로 비교적 저출력 전류가 요구되는 곳만 이용된다. 그러므로, 그러한 결함을 피하는 고전압 펄스를 달성하는 회로를 제공하는 것이 소망될 수 있다.
막스 제너레이터는 병렬의 복수의 커패시터의 변화에 좌우되는 전압 증배 회로의 향상된 타입이고, 그 후 그것들을 직렬로 방전한다. 병렬 직렬 스위칭 동작은 통상 스위치로서 공제 방진기(spark gap)를 이용하여 달성된다. 고전압과 항공 장비 시험 동안 조명의 효과를 모의하도록 광범위하게 이용된다. 공제 방진기는 최소 지터(jitter)에 대해(아크에 의해 방사됨) 그들 사이에 최대 자외선(UV) 광 변환을 위해 가능한 한 함께 인접하게 배치된다.
공지된 결함 중에서 막스 제너레이터는 불규칙한 동작으로 인하여 공제 방진기 스위치에서 마모되기 때문에 신뢰성 문제를 경험하고 지터의 양을 증가시킨다. 이들 문제는 심각한 난점이다. 이전의 신뢰성과 지터 문제를 피하는 고전압 펄스를 달성하는 회로를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
고전압 펄스를 생성하는 제 3 선행 기술 회로가 펄스 변조기로서 알려져 있다. 레이더 시스템을 위한 전력 공급기로서 제 2차 세계 대전 동안 원래 개발되었다. 펄스 변조기는 펄스 형성 네트워크(PFN)를 통합하고, 비교적 장시간을 통해 전기 에너지를 축적하고, 그 후 다양한 펄스 전력을 위해 비교적 단기 지속의 명목상 사각 펄스의 형태로 축적 에너지를 방출한다. 실제로, PFN는 고전압 전원에 의해 충전된 후 신속하게 공제 방진기나 수소 사이러트론 등의 고전압 스위치를 통해 부하에 방전한다. PFN은 통상 직렬의 고전압 에너지 기억 커패시터와 인덕터로 구성되고 그들은 단지 하나 이상의 커패시터로 구성될 수도 있다. 이들 요소는 전송선의 길이와 유사하게 작용하는 "래더 네트워크"로서 상호연결된다. 명령된 후 고전압 스위치는 부하에 PFN 내에 기억된 에너지를 전달한다. 스위치가 "파이어(fires)"(폐쇄)일 때, PFN 내의 커패시터와 인덕터의 네트워크는 단기 지속과 고전력의 명목상 사각 출력 펄스를 생성한다. 이 고전력 펄스는 부하에 고전압의 짧은 소스가 된다. 다수의 펄스 변조기 회로에서, 특별하게 설계된 펄스 변압기는 전력 전송 효율을 향상시키기 위해 PFN과 부하 사이에 접속되고 PFN과 부하 사이의 임피던스 매칭을 향상시킨다. 이와 같은 펄스 변압기는 PFN으로부터 클라이스트론이나 마그네트론 등의 고임피던스 장치가 구동할 때 통상적으로 요구된다. PFN은 비교적 장시간으로 충전되고 그 후 매우 단시간에 방전되기 때문에 출력 펄스는 메가와트의 피크 전력을 가질 수 있다.
펄스 변조기는 펄스 변압기의 요구에 의해 제한되고, 느리고, 부피가 크고, 포화를 받는다. 그러한 결함을 피하는 고전압 펄스를 달성하는 회로를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
클래스 A 증폭기가 연속파(예를 들면 정현파) RF 신호를 이용하는 캐스케이딩될 수 있는 선행 기술에도 공지되어 있다. 그러나, 그러한 선행 기술의 캐스케이드형 증폭기는 부피가 크고 불충분한 결함을 갖는다. 작고 더 효과적인 캐스케이드형 클래스 A 증폭기를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
전자관의 활성화는 음극이 전자 이미터로 기능하는 제조된 상태로부터 변환됨으로써 처리된다. 통상적으로, 이 처리는 음극으로부터 양극을 통해 전류 인출을 수반하고 관은 진공 펌핑 시스템에 계속 접속된다. 특정한 실시는 이용된 음극의 타입에 의해 변한다. 활성화는 관의 동작에서 정상적으로 발생된 것과 대등하거나 큰 동작 전압 공급을 요구한다. 활성화는 관이 외부 진공 펌프 시스템에 계속 접속되어 발생한다. 이것은 활성화 처리에 의해 음극으로부터 방출된 분순물의 제거를 용이하게 한다. 초고압 관의 경우에 적절한 전력 공급기의 비용은 매우 높다. 그러므로, 고전압 전력 공급기의 비용을 최소화하고 제조 공정을 간단하게 하고 신속하게 하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 하나의 형태는 펄스 또는 연속파형으로 증폭된 출력을 생성하는 캐스케이드 전압 증폭기를 제공한다. 증폭기는 스위칭과 클래스 A 또는 클래스 C 증폭 수단으로서 구성된 전자관을 갖는 하나 이상의 비최종 스테이지를 포함한다. 최종 스테이지는 클래스 A 또는 클래스 C 증폭 수단으로서 구성된 전자관을 포함한다. 하나 이상의 비최종 스테이지와 최종 스테이지는 직렬로 접속되고 증폭된 출력은 적어도 1000볼트의 전압을 갖는다.
이전의 캐스케이드 전압 증폭기는 몇몇 스테이지를 갖는 출력 전류를 공급하는 전압 리플의 코크로프트 월턴 전압 배율기의 결함을 피한다. 막스 제너레이터의 신뢰성과 지터 문제도 피한다. 느리고 부피가 큰 펄스 변압기의 포함에 관련된 펄스 변조기의 결함과 포화하는 감도도 피한다.
본 발명의 다른 형태는 공통 진공 인클로저 내에서 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지를 활성화하는 방법을 제공한다. 방법은 비최종 스테이지로부터 최종 스테이지에 직렬의 상호접속 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지를 포함하고, 그런 식으로 각 비최종 스테이지에서 전극은 각각의 전기 상호접속 라인에 의해 후 스테이지의 전극에 접속된다. 하나 이상의 상기 각각의 전기 접속 라인은 후 스테이지의 전극과 함께 전 스테이지의 전극을 전기적이고 기계적으로 연결하는 연결 구조를 포함한다. 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지는 진공 인클로저 내에 배치되고 에어는 인클로저로부터 배기된다. 전압은 전기 에너지를 제 1 스테이지에 공급하기 위해 제 1 직렬 접속 스테이지의 음극과 양극 사이에 배치된다. 충분한 양의 상기 에너지는 모든 관 스테이지의 활성화를 용이하게 하기 위해 어떤 간섭 스테이지를 통해 최종 스테이지에 연속적으로 전파된다.
상술한 방법은 상기 언급한 개개의 관을 활성화하는 선행 기술 방법의 결함을 피한다. 이것은 바람직한 형태로 거의 동시에 모든 스테이지 캐스케이드형 전자관 스테이지를 활성화하는 단일 전원만 이용함으로써 달성된다. 전원은 제 1 스테이지 관의 전압 요구를 맞추는 것만 필요하며 각 연속 스테이지에 대해 요구되는 증가된 전압이 선행 스테이지의 전압 이득에 의해 제공되기 때문이다. 이것은 예를 들면 연속 스테이지에 대해 크고 고가의 전력 공급기의 필요와, 큰 진공 인클로저와 진공 펌핑 증가와 가열 요구를 요구하는 큰 피드스루의 이용을 수반하는 크고 실질적으로 더 복잡한 배기가스 스테이지를 피한다.
도면에서 동일 참조 부호는 동일 부분을 참조한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 펄스 또는 연속파형으로 증폭된 출력을 제공하는 캐스케이드 전압 증폭기의 개략적인 다이어그램을 도시하며;
도 2A 및 도 2B는 도 2A에서 화살표 2B-2B를 따라 자른 도 2B와 함께 본 발명에 이용될 수 있는 고전압 냉음극 전계 방출 3극관의 간단한 평면도와 관련된 단면도를 도시하며;
도 2C 및 도 2D는 도 2A 및 도 2B에 유사한 도면을 도시하지만 변형된 고전압 냉음극 전계 방출 전자관이 도 2C에서 화살표 2D-2D를 따라 자른 도 2D와 함께 본 발명에 사용될 수 있으며;
도 3은 본 발명의 실시형태에 의한 명확함을 위해 생략된 다양한 부분을 갖는 3개의 스테이지 캐스케이드 전압 증폭기의 통합된 주요부의 부분적으로 자른 간단한 사시도이며;
도 4는 명확함을 위해 생략된 다양한 부분을 갖는 도 3의 화살표 4-4를 따라 자른 도 3의 캐스케이드 전압 증폭기의 주요부의 일부 단면의 간단한 외측 평면도이며;
도 5는 추가된 스테이지간 페라이트 초크와 함께 도 3 및 4에 도시된 연결 구조의 상세한 외측 평면도이며;
도 6은 통합된 캐스케이드 전압 증폭기를 활성화하는 구조의 블록도이며;
도 7은 본 발명에 의한 캐스케이드 전압 증폭기의 다양한 수의 스테이지 블록도이다.
본 명세서는 (1) 회로 토폴로지, (2) 바람직한 회로 실시, 및 (3) 캐스케이드형 전자관 활성화 방법의 3개의 주제를 기재한다.
1. 회로 토폴로지
도 1은 스위칭으로서 구성된 캐스케이드 전압 증폭기(CVA)(10)와 회로인 변형된 클래스 A 증폭기를 도시한다. 클래스 A 증폭기 동작은 아래에 기재된다. CVA(10)는 우수한 RF 디자인 실행에 의한 입력(12)과 출력(14) 터미널 및 접지(16)를 포함한다. 다음 명세서의 목적을 위해 CVA(10)는 1000볼트를 초과하여 출력을 제공하도록 설계된다.
CVA(10)의 특정한 버전은 3개의 스테이지(18a, 18b, 및 18c)의 구성을 도시한다. 제 1 스테이지(18a)는 3극관 구성의 냉음극 전계 방출 관(20a)을 포함하고 레지스터(27a)에 의해 스탠드오프 상태로 바이어싱된 그리드를 갖고, 바람직하게는 가변가능하다. 안티 킥백 초크(anti-kickback choke)로서 알려진 인덕터(21)는 역펄스를 블로킹하고 음고전압 커패시터(28)에 도달로부터 입력 터미널(12)에 접속된 전원(도시 생략)을 충전하여 유지한다. 블로킹 다이오드(도시 생략)는 이 기능을 증가시킬 수 있다. 레지스터(24a)와 커패시터(26a)는 관(20a)의 전도를 지지하기 위해 시간 상수를 설정하는 RC 네트워크를 형성한다.
동작 중에 에너지 기억 커패시터(28)는 입력 터미널(12)과 RF 그라운드(16) 사이의 전압으로부터 충전된다. 인덕터(22a), 레지스터(24a), 커패시터(26a), 및 가변 레지스터(27a)와 조합해서 냉음극 전계 방출 3극관 전자관(20a)이 이중 기능을 수행한다. 이것들의 전자관은 펄스를 양쪽에 형성하고 제조된 바와 같이 관(20a)의 이득에 좌우되는 3dB 내지 10dB의 어디에서나 그것을 증폭하도록 이용된다. 파형 페어(19a, 19b, 19c, 및 19d)는 CVA(10)의 각 스테이지의 이득을 예시한다. 각 파형 페어(19a 내지 19d)에서 상측 파형은 정현파 신호를 나타내며 CVA(10)에 대한 동작의 하나의 모드이고, 하측 파형은 펄스 신호를 나타내며 동작의 다른 모드이다. 파형 페어(19a)는 CVA(10)에 입력을 나타내고; 페어(19b)는 제 2 스테이지의 입력을 공급하는 제 1 스테이지의 출력을 나타내고; 페어(19c)는 최종 스테이지의 입력을 공급하는 제 2 스테이지의 출력을 나타내고; 및 페어(19d)는 CVA(10)의 출력을 나타낸다.
후 스테이지(18b 및 18c)는 상기 기재된 스테이지(18a)와 기능이 유사하고 각각은 클래스 A 증폭기 회로로서 동작하도록 구성된다. 주요 차이는 다른 스테이지의 전압 레이팅이다. CVA(10)의 요소의 전압 레이팅은 증폭기의 각 스테이지에서 기대된 전압과 동일할 것이다. 유사하게, 관(18b 및 18c)은 증가된 전압을 축적하는 사이즈가 점진적으로 커진다.
회로의 모든 스테이지는 우수한 RF 디자인 실행에 의한 통상 RF 그라운드(16)에 접속된다.
메인 회로와 직렬로 추가 스테이지를 더함으로써 고전압에 도달이 가능한 것에 주의한다. 주의는 전압 레이팅과 절연 규격이 발생된 전압과 동일한 것을 보장하게 될 것이다. 각 스테이지의 제 1 차원은 아킹(arcing)없이 고전압을 수용하여 직선적으로 증가한다. 제 1 차원은 전극간 스페이싱과 전극의 길이와 직경을 포함한다. 2개의 스테이지 이상을 이용하는 결과는 CVA(10)의 상승 시간이 스테이지 증가의 수로서 저하되는 것이다.
고신뢰성에 대한 절연유 탱크나 고압 절연 가스 탱크에서 이 타입의 회로를 배치하는 것은 드물지 않다. 적절한 변압기 절연유는 Houston Texas에 위치하는 Shell Diala AX Shell Oil Company 또는 등가물이다. 가스를 절연하는 적절한 변압기는 Pennsylvania, Allentown에 위치하는 Air Products and Chemicals, Inc.사의 Sulfur Hexafluoride(SF6) 또는 등가물이다.
3극관 구성의 냉음극 전계 방출 관의 실행에 대해 관의 제조 동안 각 스테이지의 이득을 세팅함으로써 CVA의 추가 이득을 제어하는 것이 가능하다. CVA 회로에서 3dB 내지 10dB의 범위에서 개개의 관 이득은 극도의 안정된 동작을 제공한다. 관은 20dB만큼 큰 개개의 이득을 갖도록 제조될 수 있지만 진동이나 링잉으로부터 회로를 유지하기 어렵다. 이것은 신중한 회로 설계에 의해 극복될 수 있지만 이것은 부품수를 증가시키고 증가된 회로 인덕턴스의 결과로서 최대 상승 시간으로 동일한 감소의 원인이다.
냉음극 전계 방출 관(20a, 20b, 및 20c)은 서로 직렬로 직접접으로 접속된 바와 같이 도시되지만 다이렉트 직렬 접속은 항상 소망되지 않는다. 예를 들면, 인덕턴스 등의 중간 회로 요소는 관(20a, 20b, 및 20c) 사이에 개재될 수 있다. 예를 들면, 스테이지 사이의 추가 인덕턴스는 레이더, 의학 화상, 쇄석술(lithotripsy) 등에 애플리케이션을 갖는 연장 펄스의 결과이다. 인덕턴스를 추가하는 일방향은 CVA(10)의 스테이지 사이의 전기 상호접속에 중공 페라이트 초크(도시 생략)를 배치한다. 이것은 동일 포인트의 회로에서 통상적인 인덕터를 삽입하는 전기적으로 등가물이다.
도 1의 CVA(10)의 스테이지(18a 내지 18c)의 클래스 A 동작의 상세함이 이어진다. 클래스 A 증폭기가 바이어싱되어 입력 신호 양극성의 변화는 컷오프 및 포화의 제한 내에 발생한다. 예를 들면 3극관 전자관과 함께 그리드가 음극에 대해 양극이 되면 전자는 그리드에 의해 리펠링(repelled)될 것이고 어떤 전류도 양극 회로에 흐를 수 없다. 이 상태는 컷오프로서 알려져 있다. 포화는 그리드가 신호의 변화가 양극 전류 흐름에 반사되지 않는 이미터에 대해 너무 음극이 될 때 발생한다.
이 방법에서 증폭기를 바이어싱하는 것은 컷오프 및 포화 사이의 DC 동작 포인트를 발생시키고 양극 전류가 입력 신호의 완전 사이클(360도) 동안 흐르게 해서 입력의 리플리카(replica)인 출력을 제공한다. 이 증폭기로부터 출력은 입력 스테이지와 180도 위상이 다르고 출력 전류는 입력의 완전한 지속에 대해 계속 흐른다.
클래스 A 증폭기는 연속파(CW) 통상적으로 정현파 회로에 사용될 때 고효율 회로로 구성되지 않는다. 클래스 A 증폭기는 입력 신호의 고정밀한 증폭에 대해 주목할만하다. 울트라 숏 펄스 증폭(ultra-short pulse amplification)에 사용될때 본 발명에서 알 수 있는 바와 같이 효율이 증가한다. 이것은 CW와 펄스 동작 사이의 차이 때문이다. CW 동작에서 출력 스테이지는 연속 전도이고 그 결과 회로는 계속적으로 전력을 드로잉한다. 울트라 숏 펄스 동작에서 상황은 다르다. 출력 스테이지는 펄스가 존재하는 시간 동안 전도에만 있고 그 결과 회로 효율은 매우 높다. 브로드밴드 울트라 숏 펄스 설계에서 DC 연결 동작은 회로의 이 타입에서 통상적으로 발견된 큰 커패시터에 대한 필요 없이 실용적이다. 여기에 이용된 바와 같이, 울트라 숏 펄스는 10 내지 20나노세컨드를 초과해서 대략 상승 시간을 갖는 것이다.
전 단락의 특성의 조합은 클래스 A 증폭기가 펄스 증폭 적용에 대해 유일하게 적절하게 한다. 역사상, 레이더 회로에 사용되었지만 그러한 회로의 펄스가 본 발명에 의해 고려된 펄스보다 실질적으로 크다.
CVA를 갖는 냉음극 전계 방출 기술 이용에 더해 열이온 음극을 갖는 전자관과 필라멘트 전자 소스를 이용한 CVA를 실시하는 것이 가능하다. 이 타입의 전자관의 이용은 주로 전류 처리와 전체 전압 처리 규격 동안 회로의 실행에 중요한 제한이 된다.
상술한 명세서는 고전압 펄스의 생성으로 참조하지만 연속(예를 들면 정현파) 신호에 캐스케이드 전압 증폭기를 동작하는 것이 가능하다. 이러한 방법으로, 연속 고이득 출력 신호는 컴팩트하고 효과적인 방법에서 달성될 수 있다.
2. 바람직한 회로 실시
도 2A 및 도 2B는 도 1의 회로에서 냉음극 전계 방출 관(20a~20c)을 실시하도록 이용되는 것이 바람직한 고전압 냉음극 전계 방출 3극관(30)의 기본 구조를 도시한다. 3극관(30)은 현재 발명자와 다른 발명자에 의해 미국 특허 4,950,962에 기재된 바와 같이 Pulsatron으로서도 알려져 있다. Pulsatron은 소망하는 전압의 연속 모드에서 동작하는 사이즈의 크기의 비율이다. 3극관(30)은 원통 형상 그리드(34)에 의해 둘러싸인 원통 형상 음극(32)을 포함하고 원통 형상 양극(36)에 의해 둘러싸인다. 그리드(34)는 전자를 통과시키기에 적절한 구멍을 가지고 있다는 것을 지시하는 파선으로서 도시되었다. 양극(36), 그리드(34), 및 음극(32)은 공통 주축(도시 생략)을 공유한다. 음극(32)으로부터 그리드(34)의 방사상 스페이싱은 횡전자기 모드(TEM)를 지지하는 원형 도파관을 생성하는 바와 같다. 도 2A 및 도 2B에서 음극(32)은 흑연 재료로 구성되고, 그리드(34)는 니켈 합금 등의 전도성 금속으로 구성되고, 양극(36)은 실시예의 방법으로 텅스텐 등의 내화성 금속으로 구성된다.
도 2C 및 도 2D는 도 1의 회로에서 냉음극 전계 방출 관(20a 내지 20c)을 실시할 수 있는 도 2C의 고전압 냉음극 전계 방출 3극관(40)의 기본 구조를 도시한다. 공지된 그러한 3극관도 현재 발명자와 다른 발명자에 의해 USP 4,950,962에 기재된 바와 같이 Pulsatron도 공지되었다. 3극관(40) 원통 형상 양극(42)을 포함한다. 둘러싸인 양극(42)은 원통 형상 그리드(44)이고 후 원통 형상 중공 음극(46)에 의해 둘러싸인다. 그리드(44)는 전자를 통해 통과하는 적절한 구멍을 가질 수 있는 것을 지시하는 파선으로 도시되었다. 양극(42), 음극(46), 및 그리드(44)는 공통 주축(도시 생략)을 공유한다. 음극(46)으로부터 그리드(44)의 방사상 스페이싱은 횡전자기 모드(TEM)를 지지하는 원형 도파관을 생성하는 바와 같다. 도 2C 및 도 2D에서 음극(46)은 흑연 재료로 구성되고, 양극(42)과 그리드(44)는 실시예의 방법으로 고니켈 합금 등의 전도성 금속으로 구성된다.
냉음극 전계 방출 전자관에 대한 그리드를 설계할 때 맞추어야 하는 몇몇 임계 조건이 있다.
(1) 그리드 음극 또는 그리드 양극 공간은 그리드의 길이 전역에서 일정해야 한다. 이것은 통상 고텐션 하의 그리드의 길이의 배치나 강구조를 갖는 빌딩에 의해 달성된다.
(2) 그리드에서 요소의 수는 그리드 음극이나 그리드 양극 영역에서 일정하고 균일한 전계를 보장하도록 충분히 높아야 한다.
(3) 그리드 구조의 어디에서도 어떤 버르(burr)의 날카로운 에지도 없을 것이다. 오히려, 개개의 요소는 원형, 편평, 또는 고애스팩트비 타원 형상일 수 있다. 모든 에지는 완전한 반경일 수 있다. 이 문맥에서, 완전한 반경은 식에서 에지가 재료의 절반과 대등한 반경을 갖는 것을 의미한다.
이것들의 설계 룰의 실제 실시는 빌트된 그리드의 사이즈에 의해 결정된다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시형태에 의한 캐스케이드 전압 증폭기(CVA)(50)의 주요부를 도시한다. 양 도면을 참조하면 예를 들어 니켈 합금의 진공 인클로저(52)는 증폭기(50)의 비최종 스테이지(54 및 56)와 최종 스테이지(58)를 둘러싼다. 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, CVA(50)는 제 1 스테이지 음극 입력(59a), 관련된 인슐레이터(59b), 최종 스테이지 양극 출력(59c) 및 유전체 인슐레이터(53)의 관련된 인슐레이터부(59d)를 포함한다.
모든 3개의 스테이지에 대해 공통 진공 인클로저(52)를 이용하는 이점은 제조 효율, 컴팩트 사이즈, 및 저비용을 포함한다. 그러나, 공통 진공 인클로저 내에 전자관을 배치하기 위해 필요하거나 유용한 바람직하지 않은 일부 상황이 있다. 공통 진공 인클로저의 차단을 보증하지 않는 조건은 다음을 포함하지만 한정되지 않는다; 빠른 상승 시간이 고려되지 않은 회로, 극도의 고전압이 매우 큰 인클로저를 필요하도록 개발된 회로, 선형 레이아웃이 바람직하지 않은 회로, 및 프로토타입 회로.
비최종 스테이지(56)는 양극(56a), 그리드(56b), 및 내부로 스레딩된 음극(56c)을 포함하고, 도 2A 및 도 2B에서 양극(36), 그리드(34), 및 내부로 스레딩된 음극(32)을 형성할 수 있다. 비최종 연결 구조(62)는 후 스테이지(58)의 음극(58c)을 지지할뿐만 아니라 비최종 스테이지(56)의 양극(56a)을 지지한다. 연결 구조(62)는 일반적으로 양 틴(62a 및 62b)(tines)이 도 4에서 보여진 상태로 일단의 2틴 포크(two-tined fork), 음극을 장착하는 스레딩된 핀의 형상의 음극 지지체(62d), 및 도 5에 가장 쉽게 도시된 스레드 핀(62d)의 음극을 보유하는 전기적으로 전도성 및 내화성 반구(62e)로 형성된다. 전도성 및 내화성 반구(62e)는 음극으로부터 단부 방출을 금지하는 제 2 기능을 갖는다. 도 2C 및 도 2D의 음극(46), 그리드(44), 및 양극(42)을 이용하는 대안의 통합된 CVA에서 중심에 위치된 양극(42)은 연결 구조(62)로 갈라지지 않게 통합될 수 있다. 이것은 개개의 요소를 함께 용접에 의해 연결 구조를 어셈블링하기보다는 1피스로서 연결 구조(62)와 양극(42)을 캐스팅함으로써 이해될 수 있다.
연결 구조(62)[음극(56c)의 축을 따라]의 일축단부에서 연결 구조(62)는 링(62c)에 접속되고, 바람직하게는 네트 형상에 가까운 몰드의 1피스로서 캐스팅되고 후에 최종 치수로 머시닝된다. 1피스로서 캐스팅은 입력 신호에 고신뢰도를 제공하는 출력 신호와 고속 동작의 유익한 결과이다. 구성의 대안 방법은 벌크 재료로부터 기계가공이나 기계가공 부품으로부터 어셈블리를 포함하고, 머시닝되어야될 표면 결함과 비균일의 결과 통상 용접을 요구한다.
링(62c)은 통상적으로 센티미터당 35의 암나사를 갖고, 그것으로 양극(56a)이 나사 고정된다. 연결 구조(62)의 우측은 최종 스테이지(58)에 대해 음극 지지체(62d)로 종료된다. 바람직하게는, 연결 구조(62)는 몰드에서 1피스로서 형성되는 결과로 일체형이고 간극없는 연속 구조를 형성하는 링(62c)과 음극 지지체(62d)를 포함한다. 링(62c)과 음극 지지체 구조(62d)를 포함하는 연결 구조(62)는 바람직하게는 니켈 합금으로 형성된다. 바람직하게는, 연결 구조(62)는 그 전체 길이에 걸친 전기 전송선이다. 이것은 연결 구조(62)의 전송선부가 펄스의 파장 길이의 1/10보다 큰 것을 의미한다. 이 길이에서 라인의 어떤 반사의 위상 지연과 간섭이 중요하게 되고 전송선 이론을 신중하게 설계하지 않은 시스템에서 예측불가능한 동작이 될 수 있다.
도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 일반적으로 반구 형상의 세라믹 인슐레이터(68)는 연결 구조(62)의 볼록 영역을 수용하는 우측의 마주하는 홈(68a)을 갖고, 양극(56a)의 우측단의 내부 외주에 놓인 립(68b)을 갖는다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 진공 인클로저(52)를 통한 비최종 스테이지(56)의 전기 접속은 다음으로 이루어진다: 스테이지(56)[및 스테이지 54의 양극(54a)]의 음극(56c)(도 3)에 접속된 중간 피드스루(feedthrough)(72a); 스테이지(56)[및 스테이지(58)의 음극(58c)]의 양극(56a)에 접속된 그리드 피드스루(72b)와 중간 피드스루(72c). 그리드 피드스루(74)는 최종 스테이지(58)의 그리드(58b)에 전기 액세스를 승인하고 그리드 피드스루(76)는 그리드(54b)(도 3)에 전기 액세스를 승인한다. 화학 게터 펌프(getter pump)(78)와 관련된 피드스루는 도 4에도 도시된다. 통상적으로, 모든 피드스루는 유전체 재료와 진공 시일링되고 전기적으로 절연된다. 통합된 CVA(10)는 배기관(79) 등의 모든 진공 관에 공통인 다른 특성을 포함하고 소망하면 활성 진공 펌프를 포함할 수 있다.
도 3은 명확성을 위해 다양한 요소를 생략하고, 예를 들면 도 4에 도시된 모든 피드스루보다 그리드 피드스루(72b)만 도시한다. 또한, 도 3 및 4로부터 명확성을 위한 생략은 다양한 내부 관 요소의 정확한 위치와 지지를 위한 유전체 지지체 요소이다. 그러한 지지체 요소의 포함은 당업자에 통상적이다.
정상적으로, CVA(10)의 상승 시간은 단지 최종 스테이지(58)의 상승 시간에 의해 결정된다. 그러나, 회로 적용에서 입력 펄스의 펄스 폭을 신중하게 천천히 내리거나 연장하는 것이 바람직하고, 상호접속 전송선 요소의 페라이트 초크를 배치하는 것이 가능하다. 예를 들면, 도시된 바와 같이, 도 5에서 페어(84a, 84b) 사이에 개재된 페라이트 초크(82)는 음극 지지체 구조(62d)에 배치될 수 있다. 또한, 페라이트 초크의 상세한 설명이 이어진다.
페라이트 초크는 철과 미량의 니켈, 아연, 또는 산화 망간을 함유하는 강자성 합성물로 구성된 비저항성 전자 회로 요소이다. 페라이트 초크의 임피던스 특성은 주파수 신호를 높이는 고도 저항성과 주파수 신호를 낮추는 저도 저항성과 활성화되게 한다. 이러한 방법으로, 고주파수 소음은 억제하고 흡수된 에너지는 극소량의 열로 변환된다. 비드에 이용된 페라이트 재료의 타입은 동작 주파수를 결정할 것이고 페라이트 초크의 물리적 치수와 형상은 펄스 변경 가능성의 양을 결정한다.
클래스 C 증폭기 회로뿐만 아니라 클래스 A 증폭기 회로에서 통합된 캐스케이드 전압 증폭기(50)(도 3 내지 도 4)를 이용하는 것이 가능하다.
도 3 및 4의 상술한 명세서는 제 2 비최종 스테이지(56)에 초점을 맞춘다. 제 1 스테이지(54)와 최종 스테이지(58)는 다음과 같은 일부 주요한 차이로 제 2 스테이지(56)와 공통으로 공유한다. 제 2 스테이지(56)와 달리, 제 1 스테이지(54)는 전 스테이지에서 연결 구조(예를 들면 60과 유사)보다 제 1 스테이지 음극 입력(59a)으로부터 지지된 음극을 갖는다. 최종 스테이지는 다음의 스테이지에 대해 음극 지지체 구조[예를 들면 제 2 스테이지(56)의 62d]보다는 최종 스테이지 양극 출력(59c)에서 종료된 연결 구조(64)를 포함한다. 최종 스테이지(58)는 유전체 인슐레이터(53)에 의해 진공 인클로저(52)로부터 전기적으로 절연된다. 추가적으로, 스테이지(54, 56, 및 58)의 비교되는 사이즈는 제 1 스테이지(54)에서 최종 스테이지(58)로 증가한다. 최종적으로, 이 명세서에서 동일 참조 부호는 동일 부분을 참조하는 것에 주의해야 하고, 예를 들면 제 2 스테이지(56)에 대해 양극(56a)의 상술한 명세서는 제 1 스테이지(54)의 참조 부호 54a와 제 3 스테이지(58)의 참조 부호 58a도 적용한다.
3. 캐스케이드형 전자관 활성화 방법
전자관의 활성화는 배기 분석을 핀칭 오프 바로 전에 관의 제조에서 최종 전 스텝이다. 활성화의 목적은 전자 방출 요소를 기능하는 제조된 음극으로서 변환한다. 통상적으로, 이 처리는 양극을 통해 음극으로부터 전류 인출을 수반하지만 관은 진공 펌핑 시스템에 계속 연결된다. 특정한 실시는 사용된 음극의 타입에 의해 변한다. 관이나 관 스테이지의 전극 구조에 완벽하게 독립하는 것을 인식하는 것이 중요하다.
본 발명은 도 3 및 도 4의 접속에서 상술된 바와 같이 전자관의 일체형 접속의 특성으로 일체형 직렬 접속된 전자관에 관한 것이다. 열이온 음극의 활성화는 음극의 타일 발광면의 화학적 성질을 변화시키고, 냉음극의 활성화는 음극으로부터 분순물을 제거하도록 이용된다.
본 발명의 실시형태는 연속 스테이지(18a, 18b, 및 18c)(도 3 내지 도 4)를 활성화시키는 단일 전원의 이용이고, 점진적으로 증가하는 전압의 3개 이산 전력 공급기의 이용과 반대된다. 고압 전력 공급기의 비용은 증가한 출력 전압 레이팅과 함께 신속하게 증가하고, 비교적 저전압 전원을 갖는 초고압 스테이지를 활성화하는 능력이 바람직하다. 이것은 각 스테이지(18a, 18b, 및 18c)에 의해 제공된 내재된 증폭의 이점을 취함으로써 달성된다. 제 1 스테이지(18a)는 전압을 제 2 스테이지(18b)의 적절한 활성화 특성의 정정 레벨에 상승시키고; 동일 처리는 각 연속 스테이지에 대해 반복된다. 최종 스테이지(예를 들면 18c 또는 이상)에서 증폭 처리는 계속 요구되지만 그 스테이지를 활성화하는 내부에 이용된다.
도 6은 통합된 캐스케이드 전압 증폭기(CVA)(92)를 활성화하는 구조(90)를 도시한다. 증폭기(92)는 진공 인클로저(91) 내에 파선을 도시하고, 도 3 및 4의 접속에서 상기 기재된 CVA를 적절하게 포함할 수 있다. 가변 고압 전원(94)은 증폭기(92)의 입력 터미널(12)을 공급한다. 로드 레지스터(96)는 일단의 출력 터미널(14)과 타단의 션트 레지스터(98)에 접속된다. 션트 레지스터(98)의 다른쪽 면은 공통 그라운드(100)에 접속된다. 동축 잭(102)의 중앙 전도체는 로드 레지스터(96)와 션트 레지스터(98)의 공통 터미널에 접속된다. 동축 잭(102)의 그라운드 접속은 션트 레지스터 그라운드 접속(104)에 접속된다. 도면에 도시된 배기 수단(106)은 진공 인클로저(91)로부터 에어와 분순물을 배기하기 위해 이용된다.
CVA(92)를 활성화하는 것은 에어가 배기 수단(106)에 의해 인클로저(91)로부터 배기된다. 가변 고전압 전원(94)으로부터 전압은 CVA(92) 내에 직렬로 접속된 제 1 직렬 접속의 관 스테이지의 양극과 음극 사이에 공급된다. 전원(94)으로부터 충분한 양의 에너지는 모든 스테이지의 활성화를 용이하게 하기 위해 최종 스테이지에 어떤 간섭 스테이지(여기에서 제 2 스테이지)를 통해 연속적으로 전파된다. 바람직하게는, 제 1 스테이지의 양극과 음극에 전원(94)에 의해 공급된 에너지가 모든 스테이지의 활성화의 원인에 충분하다. 유익하게, 각 스테이지는 입력 활성 전압을 그것의 설계의 값에 의해 선행 2개의 문자에 언급된 활성화의 레벨에 대해 보정값으로 증폭한다.
도 6 및, 암시에 의해 도 3과 도 4는 캐스케이드 전압 증폭기(CVA)의 3개의 스테이지를 도시하지만 4개의 스테이지 이상이 CVA에 통합될 수 있다. 따라서, 도 7은 스테이지(110n)까지 행 바꿈에 의해 표현된 입력(12), 출력(14), 스테이지(110a, 110b, 110c), 및 간섭, 비부호 스테이지 사이에 도면으로 도시한다. 이들 4개 이상의 스테이지는 도 3, 도 4, 및 도 6의 3개의 스테이지를 대체할 수 있다. 도 7의 다양한 스테이지의 상호관계는 도 3 및 도 4에서 연속 스테이지의 상호관계로부터 식별될 수 있다. 특히, 스테이지(110a)(도 7)는 제 1 스테이지(54)(도 3 및 4), 스테이지(110b, 110c)에 대응하고, 도 7에서 어떤 추가 간섭 스테이지는 도 3 및 4에서 제 2 스테이지(56)에 대응하고, 도 7의 최종 스테이지(110n)는 도 3 및 4에서 최종 스테이지(58)에 대응한다. 추가 스테이지의 결과는 CVA의 결과의 상승 시간에 작은 감소이고, 최종 스테이지의 상승 시간에 의해 지배되고, 슬루 레이트(slew rate)(dv/dt)의 문제점에 구속되지 않는다.
본 발명은 예시의 방법으로 특정한 실시형태에 대해 기재되었지만 다수의 개선과 변경이 당업자에게 생길 수 있다. 그러므로, 추가된 청구항은 본 발명의 진정한 범위와 사상 내에서 모든 그러한 변경에 충분한 것이 이해된다.

Claims (21)

  1. 펄스 또는 연속파형으로 증폭된 출력을 생성하는 캐스케이드 전압 증폭기로서:
    a) 스위칭 및 클래스 A 또는 클래스 C 증폭 수단으로서 구성된 전자관을 포함하는 하나 이상의 비최종 스테이지;
    b) 스위칭 및 클래스 A 또는 클래스 C 증폭 수단으로서 구성된 전자관을 포함하는 최종 스테이지;
    c) 직렬로 접속된 하나 이상의 비최종 스테이지와 최종 스테이지; 및
    d) 적어도 1000볼트의 전압을 갖는 증폭된 출력을 포함하고,
    e) 각 스테이지는 하나 이상의 동심 원통형 그리드를 둘러싸서 결과적으로 동심 원통형 내부 전극을 둘러싸는 원통형 외부 전극을 포함하고,
    f) 원통형 내부 전극으로부터 원통형 그리드로의 방사상 스페이싱은 그것들 사이에서 횡전자기 모드를 지지하는 원형 도파관을 생성하도록 되고,
    g) 각 비최종 스테이지는 전기적으로 결합하기 위한 연결 구조를 포함하고, 상기 각 비최종 스테이지의 외부 전극과 후 스테이지의 내부 전극을 위한 제 1 기계 지지체이며, 상기 연결 구조는 제 1 단부와 제 2 단부를 갖고,
    i. 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에 포함된 전기 상호접속,
    ⅱ. 상기 전 스테이지의 외부 전극을 지지하는 수단을 포함하는 제 1 단부,
    ⅲ. 상기 후 스테이지의 내부 전극을 지지하는 수단을 포함하는 제 2 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 전압 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 비최종 스테이지와 최종 스테이지는 공통 진공 인클로저 내에 물리적으로 포함되는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 전압 증폭기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비최종 스테이지의 수는 2개인 것을 특징으로 하는 캐스케이드 전압 증폭기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비최종 스테이지의 수는 3개인 것을 특징으로 하는 캐스케이드 전압 증폭기.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 비최종 스테이지와 최종 스테이지 각각은 냉음극 전계 방출 전자관을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 전압 증폭기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    각 비최종 관의 연결 구조는 일체형이고 간극없는 연속 구조인 것을 특징으로 하는 캐스케이드 전압 증폭기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 상호접속은 전기 전송선을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 전압 증폭기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 최종 스테이지는 전기적으로 결합하기 위한 연결 구조를 포함하고, 상기 최종 스테이지의 외부 전극과 외부 회로를 위한 제 1 기계 지지체이며, 상기 연결 구조는 제 1 단부와 제 2 단부를 갖고,
    a) 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에 포함된 전기 전송선,
    b) 상기 전 스테이지의 외부 전극을 지지하는 수단을 포함하는 제 1 단부, 및
    c) 상기 외부 회로에 접속되는 수단을 포함하는 제 2 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 전압 증폭기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 각 비최종 스테이지의 연결 구조는 일체형이고 간극없는 연속 구조인 것을 특징으로 하는 캐스케이드 전압 증폭기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 전극은 양극이고, 상기 내부 전극은 음극인 것을 특징으로 하는 캐스케이드 전압 증폭기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 전극은 음극이고, 상기 내부 전극은 양극인 것을 특징으로 하는 캐스케이드 전압 증폭기.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 공통 진공 인클로저 내에서 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지를 활성화하는 방법으로서:
    a) 각 비최종 스테이지에서 전극은 각각의 전기 상호접속 라인에 의해 후 스테이지의 전극에 접속되는 방식으로 비최종 스테이지로부터 최종 스테이지로 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지를 직렬로 상호접속하는 스텝;
    b) 상기 각각의 전기 상호접속 라인 중 하나 이상은 전기적으로 결합하기 위한 연결 구조를 포함하고, 후 스테이지의 전극과 함께 전 스테이지의 전극을 위한 제 1 기계 지지체;
    c) 상기 진공 인클로저 내에 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지를 배치하고 상기 인클로저로부터 에어를 배기하는 스텝; 및
    d) 전기 에너지를 제 1 스테이지에 공급하기 위해 제 1 직렬 접속 스테이지의 음극과 양극 사이에 전압을 제공하는 스텝으로서, 충분한 양의 에너지는 모든 관 스테이지의 활성화를 용이하게 하기 위해 어떤 간섭 스테이지를 통해 최종 스테이지에 연속적으로 전파되는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지 활성화 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 직렬 접속 스테이지의 음극과 양극 사이에 전압을 제공하는 스텝은 모든 스테이지의 활성화를 야기시키기 위해 충분한 에너지를 제공하는 것을 특징으로 하는 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지 활성화 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    각 연결 구조의 전체 길이는 전기 전송선을 형성하는 것을 특징으로 하는 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지 활성화 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 전자관은 냉음극 전계 방출 전자관인 것을 특징으로 하는 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지 활성화 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 전기 상호접속 라인은 전기 전송선을 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지 활성화 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지의 수는 3개인 것을 특징으로 하는 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지 활성화 방법.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지의 수는 4개인 것을 특징으로 하는 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지 활성화 방법.
KR1020117026843A 2009-05-18 2009-11-16 캐스케이드 전압 증폭기와 복수의 캐스케이드형 전자관 스테이지 활성화 방법 KR101342526B1 (ko)

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