KR101344276B1 - 진행파관 증폭기의 빔 전류 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 진행파관 증폭기의 빔 전류 모니터링 장치는, 상기 진행파관 증폭기에 전압을 공급하는 고전압 파워서플라이와 상기 진행파관 증폭기의 캐소드 사이에 연결되는 아킹 보호용 저항; 및 상기 아킹 보호용 저항 양단의 전압강하에 상응하는 전압을 상기 빔 전류 모니터링 결과로서 출력하는 전압 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

진행파관 증폭기의 빔 전류 모니터링 장치 및 방법{Apparatus and method for monitoring beam current of Traveling Wave Tubes Amplifier}

본 발명은 진행파관 증폭기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진행파관 증폭기의 빔 전류를 모니터링하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

레이더와 전자전(Electronic Counter Measures) 및 통신 시스템 등 많은 분야에서 사용되어지고 있는 전력증폭기 중 마이크로파 대역에서 높은 전력의 출력을 얻기 위해 진행파관 증폭기(Traveling Wave Tubes Amplifier)가 많이 사용되고 있다.

진행파관 증폭기는 입력되는 미세한 고주파 신호를 약 100만배 증폭시켜 고출력 고주파 신호를 발생시키는 고가의 장비이다. 진행파관 증폭기에는 약 15kV에 달하는 고전압이 인가되어야 하므로, 별도의 고전압 파워서플라이를 필요로 한다.

도 1은 진행파관 증폭기의 개념도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 진행파관은 히터(1)에 의하여 캐소드(2)가 가열되어 전자가 캐소드(2)로부터 이탈되기 용이한 상태로 여기되고, 여기된 전자는 캐소드(2)로부터 분리되어 그리드(3)에 의해 제어를 받으면서 전자 빔을 형성하게 된다. 이와 같이 형성된 전자 빔은 헬릭스(helix)(4)를 통과하여 콜렉터(collector)(5)로 수집된다. 이때, 헬릭스(4)의 입력단에 고주파(RF) 신호가 입력되어 전자와의 상호작용(interaction)에 의해 약 100만배 정도 증폭된 후 출력단을 통해 출력된다.

이러한 진행파관 증폭기에서 빔 전류는 진행파관 증폭기가 최적의 고주파 출력을 내는 상태인지를 판단하기 위한 하나의 지표가 된다. 따라서 진행파관 증폭기의 안정적인 동작과 보호를 위해서는 빔 전류를 모니터링하는 것이 반드시 요구된다. 기존에 고전류의 빔 전류를 모니터링하기 위하여 펄스파 진행파관 증폭기에서는 전류 변압기를 이용하였다. 그러나 이러한 방법은 교번 자속의 변화를 이용하여 빔 전류를 측정하는 전류 변압기의 특성상 빔 전류가 일정한 지속파(Continuous Wave) 진행파관 증폭기에는 적용이 불가능한 문제가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 펄스파 진행파관 증폭기 뿐만 아니라 지속파 진행파관 증폭기에도 적용이 가능한 새로운 빔 전류 모니터링 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 진행파관 증폭기의 빔 전류 모니터링 장치는, 상기 진행파관 증폭기에 전압을 공급하는 고전압 파워서플라이와 상기 진행파관 증폭기의 캐소드 사이에 연결되는 아킹 보호용 저항; 및 상기 아킹 보호용 저항 양단의 전압강하에 상응하는 전압을 상기 빔 전류 모니터링 결과로서 출력하는 전압 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전압 측정부는, 상기 아킹 보호용 저항의 일단의 전압과 타단의 전압을 각각 동일한 비율로 전압 분배하여 제1 전압과 제2 전압을 출력하는 전압 분배부; 및 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이에 상응하는 전압을 상기 빔 전류 모니터링 결과로서 출력하는 차동 증폭부를 포함할 수 있다.

상기 전압 분배부는 제1 내지 제4저항을 포함하고, 상기 제1 저항은 일단이 상기 아킹 보호용 저항의 일단과 연결되고 타단이 상기 제2 저항의 일단과 연결되며, 상기 제2 저항은 타단이 접지와 연결되고, 상기 제3 저항은 일단이 상기 아킹 보호용 저항의 타단과 연결되고 타단이 상기 제4 저항의 일단과 연결되며, 상기 제4 저항은 타단이 접지와 연결될 수 있다.

상기 제1 전압은 상기 제2 저항의 일단의 전압이고, 상기 제2 전압은 상기 제4 저항의 일단의 전압일 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 진행파관 증폭기의 빔 전류 모니터링 방법은, 상기 진행파관 증폭기에 전압을 공급하는 고전압 파워서플라이와 상기 진행파관 증폭기의 캐소드 사이에 연결되는 아킹 보호용 저항 양단의 전압강하에 상응하는 전압을 상기 빔 전류 모니터링 결과로서 출력하는 것을 특징으로 한다.

상기 빔 전류 모니터링 방법은, 상기 진행파관 증폭기에 전압을 공급하는 고전압 파워서플라이와 상기 진행파관 증폭기의 캐소드 사이에 연결되는 아킹 보호용 저항의 일단의 전압과 타단의 전압을 각각 동일한 비율로 전압 분배하여 제1 전압과 제2 전압을 생성하는 단계; 및 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이에 상응하는 전압을 상기 빔 전류 모니터링 결과로서 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 빔 전류 모니터링 방법은, 상기 출력되는 전압을 화면을 통하여 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기된 본 발명에 의하면 펄스파 진행파관 증폭기 뿐만 아니라 지속파 진행파관 증폭기에서도 효과적으로 빔 전류를 모니터링할 수 있다.

도 1은 진행파관 증폭기의 개념도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 전류 모니터링 장치 및 진행파관 증폭기의 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진행파관 증폭기의 빔 전류 모니터링 방법의 흐름도를 나타낸다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 전류 모니터링 장치 및 진행파관 증폭기의 구성을 나타낸다. 도 2에서 모듈레이터(10), 히터 전원공급부(20), 고전압 파워서플라이(30) 및 아킹 보호용 저항(Rs)은 일반적인 진행파관 증폭기에 구비되는 구성에 해당한다.

모듈레이터(10)는 그리드 전극에 필요한 전압을 생성하고, 히터 전원공급부(20)는 캐소드를 가열시키는 히터에 필요한 전원을 공급한다. 고전압 파워서플라이(30)는 진행파관 증폭기에 공급될 고전압을 생성한다. 구체적으로 고전압 파워서플라이(30)는 소정의 고전압들을 생성하여 각각 진행파관의 캐소드와 콜렉터에 인가한다.

일반적으로 진행파관 증폭기에는 캐소드의 아킹(arching) 시에 발생하는 높은 전류로 인해 진행파관과 고전압 파워서플라이(30)가 손상되는 것을 방지하기 위해 고전압 파워서플라이(30)와 진행파관 증폭기의 캐소드 사이에 연결되는 아킹 보호용 저항(Rs)이 구비된다. 아킹 보호용 저항(Rs)은 보통 수십 내지 수백 옴(Ω)의 값을 가질 수 있다.

본 발명에서는 진행파관 증폭기의 동작에 의하여 빔 전류가 발생하면 아킹 보호용 저항(Rs) 양단에 빔 전류에 상응하는 전압강하가 발생하는 점에 착안하여, 전압 측정부(40)가 이 아킹 보호용 저항(Rs) 양단의 전압강하에 상응하는 전압을 빔 전류 모니터링 결과로서 출력한다. 즉, 전압 측정부(40)에서 출력되는 전압은 빔 전류에 상응하는 전압이 된다. 표시부(60)는 전압 측정부(40)로부터 출력되는 전압을 사용자가 확인할 수 있도록 화면을 통하여 표시한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 전압 측정부(40)는 도 2에 도시된 바와 같은 전압 분배부(60)와 차동 증폭부(50)를 포함할 수 있다. 전압 분배부(60)는 아킹 보호용 저항(Rs)의 일단(A)의 전압과 타단(B)의 전압을 각각 동일한 비율로 전압 분배하여 제1 전압(C 단의 전압)과 제2 전압(D 단의 전압)을 출력한다. 아킹 보호용 저항(Rs) 양단의 전압은 일반적으로 매우 높은 고전압이므로 전압 분배부(60)가 이를 낮은 전압으로 강하시키는 역할을 한다. 그리고 차동 증폭부(50)는 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이에 상응하는 전압을 빔 전류 모니터링 결과로서 표시부(70)로 출력한다.

전압 분배부(60)는 도시된 바와 같이 제1 내지 제4 저항(R1, R2, R3, R4)로 이루어질 수 있다. 제1 저항(R1)은 일단이 아킹 보호용 저항(Rs)의 일단(A)과 연결되고 타단이 제2 저항(R2)의 일단과 연결되며, 제2 저항(R2)의 타단은 접지와 연결된다. 제3 저항(R3)은 일단이 아킹 보호용 저항(Rs)의 타단(B)과 연결되고 타단이 제4 저항(R4)의 일단과 연결되며, 제4 저항(R4)의 타단은 접지와 연결된다. 따라서, C 단의 전압인 제1 전압(V_C)과 D 단의 전압인 제2 전압(V_D)은 다음과 같이 나타난다.

여기서, V_A 및 V_B는 각각 A 단의 전압 및 B 단의 전압이다. 아킹 보호용 저항(Rs)의 일단(A)의 전압과 타단(B)의 전압을 각각 동일한 비율로 전압 분배하기 위해서는 R1과 R2의 비율과 R3와 R4의 비율이 동일하면 된다.

차동 증폭부(50)는 도시된 바와 같이 연산증폭기(51)와, D 단과 비반전 단자 사이에 연결되는 저항(Ra)과, 비반전 단자와 접지 사이에 연결되는 저항(Rb)과, C 단과 반전 단자 사이에 연결되는 저항(Ra)과, 반전 단자와 연산 증폭기(51)의 출력단 사이에 연결되는 저항(Rb)으로 이루어질 수 있다. 차동 증폭부(50)의 출력에 해당하는 연산 증폭기(51)의 출력 V₀은 다음과 같이 나타난다.

위와 같이 얻어진 차동 증폭부(50)의 출력 전압은 (V_C-V_D)에 상응하며, (V_C-V_D)는 (V_A-V_B), 즉 아킹 보호용 저항(Rs) 양단의 전압강하에 상응하고, 전술한 바와 같이 아킹 보호용 저항(Rs) 양단의 전압강하는 빔 전류에 상응한다. 따라서, 차동 증폭부(50)의 출력 전압은 진행파관 증폭기의 빔 전류에 상응하는 값으로서, 빔 전류 모니터링 결과로 삼을 수 있다.

표시부(70)는 차동 증폭부(50)의 출력 전압을 화면을 통하여 표시한다. 실시예에 따라, 표시부(60)는 차동 증폭부(50)의 출력 전압을 간단한 계산을 통하여 실제 빔 전류 값으로 환산하여 표시할 수도 있다.

나아가, D 단의 전압(V_D)은 진행파관 증폭기의 캐소드의 전압(V_B)이 상기 수학식 1과 같이 일정 비율 강하된 전압이므로, D 단의 전압(V_D)은 캐소드의 전압(V_B)에 상응하는 전압이 된다. 따라서 D 단의 전압(V_D)을 측정함으로써 캐소드의 전압을 모니터링할 수도 있다. 이 경우 D 단의 전압(V_D)이 표시부(70)로 입력되어서, 표시부(70)가 D 단의 전압(V_D)을 화면을 통하여 표시할 수도 있다. 물론 표시부(70)는 D 단의 전압(V_D)을 간단한 계산을 통하여 실제 캐소드 전압으로 환산하여 표시할 수도 있다.

이하에서는 전술한 본 발명의 실시예에 따른 빔 전류 모니터링 장치에서 얻어지는 빔 전류 모니터링 결과를 예를 들어 설명한다. 여기서, Rs=100Ω, 빔 전류 I_B=1A, 캐소드 전압 V_B=-10,000V, R1=R3=100MΩ, R2=R4=100kΩ, Ra=10kΩ, Rb=100kΩ인 것으로 가정하기로 한다.

아킹 보호용 저항(Rs) 양단의 전압강하는 다음과 같다.

RsㅧI_B=100Ωㅧ1A=100V

따라서, A 단의 전압 V_A는 -10,100V가 된다. 그러면 전압 분배부(60)의 출력 전압 V_C 및 V_D는 다음과 같다.

그러면 차동 증폭부(50)의 출력 전압 V₀는 다음과 같다.

따라서 빔 전류 1A에 상응하는 전압 1V가 전압 측정부(40)를 통하여 출력되고, 이 값이 표시부(70)를 통하여 표시된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진행파관 증폭기의 빔 전류 모니터링 방법의 흐름도를 나타낸다. 본 실시예에 따른 빔 전류 모니터링 방법은 전술한 빔 전류 모니터링 장치에서 수행되는 단계들로 이루어지며, 진행파관 증폭기에 전압을 공급하는 고전압 파워서플라이와 진행파관 증폭기의 캐소드 사이에 연결되는 아킹 보호용 저항 양단의 전압강하에 상응하는 전압을 빔 전류 모니터링 결과로서 출력하는 것을 특징으로 한다.

310단계에서, 진행파관 증폭기에 전압을 공급하는 고전압 파워서플라이와 진행파관 증폭기의 캐소드 사이에 연결되는 아킹 보호용 저항의 일단의 전압과 타단의 전압을 각각 동일한 비율로 전압 분배하여 제1 전압과 제2 전압을 생성한다.

320단계에서, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이에 상응하는 전압을 빔 전류 모니터링 결과로서 출력한다.

330단계에서, 출력된 전압을 화면을 통하여 표시한다.

상술한 본 발명에 따른 빔 전류 모니터링 장치 및 방법은 펄스파 진행파관 증폭기 뿐만 아니라 지속파 진행파관 증폭기에서 모두 빔 전류를 모니터링할 수 있으며, 회로 구성이 비교적 간단하여 적은 실장 면적을 차지하는 장점 또한 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 진행파관 증폭기의 빔 전류 모니터링 장치에 있어서,
   상기 진행파관 증폭기에 전압을 공급하는 고전압 파워서플라이와 상기 진행파관 증폭기의 캐소드 사이에 연결되는 아킹 보호용 저항; 및
   상기 아킹 보호용 저항 양단의 전압강하에 상응하는 전압을 상기 빔 전류 모니터링 결과로서 출력하는 전압 측정부를 포함하고,
   상기 전압 측정부는,
   상기 아킹 보호용 저항의 일단의 전압과 타단의 전압을 각각 동일한 비율로 전압 분배하여 제1 전압과 제2 전압을 출력하는 전압 분배부; 및
   상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이에 상응하는 전압을 상기 빔 전류 모니터링 결과로서 출력하는 차동 증폭부를 포함하며,
   상기 전압 분배부는 제1 내지 제4저항을 포함하고,
   상기 제1 저항은 일단이 상기 아킹 보호용 저항의 일단과 연결되고 타단이 상기 제2 저항의 일단과 연결되며,
   상기 제2 저항은 타단이 접지와 연결되고,
   상기 제3 저항은 일단이 상기 아킹 보호용 저항의 타단과 연결되고 타단이 상기 제4 저항의 일단과 연결되며,
   상기 제4 저항은 타단이 접지와 연결되는 빔 전류 모니터링 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 전압은 상기 제2 저항의 일단의 전압이고,
   상기 제2 전압은 상기 제4 저항의 일단의 전압인 빔 전류 모니터링 장치.
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