KR101723876B1 - 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 운용 과정에서 요구되는 내부 진공도를 용이하게 달성할 수 있는 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기에 관한 발명이다.

Description

접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기{Folded shape waveguide and traveling-wave tube having the same}

본 발명은 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 운용 과정에서 요구되는 내부 진공도를 용이하게 달성할 수 있는 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기에 관한 발명이다.

진공 전력 증폭기의 일종인 진행파관기(Traveling-wave Tube, TWT)는 다양한 주파수 대역에서 고출력을 방출하는 특성으로 인하여 가정용, 산업용, 의료용, 군수용 분야를 비롯하여 각종 전파 관련 응용분야에 널리 활용되고 있다.

진행파관기는 저속파 회로의 구조에 따라 나선형(helix) 구조, 결합 공진기(copled-cavity) 구조, 접혀진 형상의 도파관(folded waveguide) 구조 등으로 나눌 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기(FWTWT)에서 도파관 부분을 도시한 개략도이다.

도시된 바와 같이, 종래의 접혀진 형상의 도파관(1)은 사각형의 단면을 갖는 도파관이 U자형으로 주기적으로 교차 배열되어 연결된 형태를 취한다. 종래의 접혀진 형상의 도파관(1) 구조에서 전자빔은 z축 방향으로 전파되고, 전자파는 z'방향을 따라 진행하게 되며, 위상속도가 느려진 전자파가 전자빔과 상호 작용하며 전자파가 증폭된다.

접혀진 형상의 도파관 구조를 갖는 진행파관기(FWTWT)는 나선형 구조의 진행파관기와 비교하여 주파수 대역은 작지만 출력은 높고, 결합 공진기 구조의 진행파관기와 비교하여 출력은 낮지만 주파수 대역은 더 큰 특징이 있어 밀리미터파와 같은 초고주파 대역에서 소형의 고출력 증폭기를 실현할 수 있는 장점이 존재한다.

이와 같은 접혀진 형상의 도파관 구조를 갖는 진행파관기(FWTWT)를 비롯한 진행파관기의 진공 소자는 초고진공(10^{- 9}Torr)의 내부 진공도를 요하기 때문에, 제작 시부터 화학 약품에 의한 세척, 가열, 가스방출 등의 여러 공정을 거치게 된다. 내부 진공도가 10^{- 6}Torr 이상으로 올라가면 기기 운용이 어려워지므로 진공도는 진행파관기 운용 중에 지속적으로 유지되어야 하지만, 운용 과정에서 전자빔에 의한 불순물의 영향 등으로 인하여 진공성이 저하되므로 필요한 진공도를 유지하는 것은 여간 어려운 일이 아니다.

종래에는 요구되는 진공도(degree of vacuum)를 달성하는데 시간이 많이 소요되고, 유지하는 것도 어려워 진공도 달성을 위하여 불가피하게 작동을 중지시키거나 기기를 불필요하게 계속 작동시켜 두는 등의 불편한 상황이 초래되었다.

따라서, 접혀진 형상의 도파관 구조를 갖는 진행파관기의 우수한 전파적 성능 달성에는 영향을 미치지 않으면서도 운용 과정에서 요구되는 내부 진공도를 용이하게 달성할 수 있는 방법의 고안이 필요하다.

한국등록특허 KR1429105

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기의 우수한 전파적 성능은 유지하면서도 기기 운용 과정에서 요구되는 내부 진공도를 용이하게 유지 및 획득할 수 있는 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기는 사각형의 단면을 가지며, 지그재그로 연결된 접혀진 형상의 도파관과 전자빔이 발생되는 전자총과 상기 전자총에서 나온 전자빔이 상기 도파관의 전자파가 입력되는 입력단부터 전자파가 출력되는 출력단까지 일직선으로 이동할 수 있도록 상기 도파관 벽을 일렬로 관통하여 형성된 다수 개의 빔 홀과 상기 진행파관기의 내부 기체가 상기 도파관의 전자파가 입력되는 입력단부터 전자파가 출력되는 출력단까지 일직선으로 이동할 수 있도록 상기 도파관 벽을 일렬로 관통하여 형성된 다수 개의 유동 홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기의 우수한 전파적 성능은 유지하면서도 기기 운용 과정에서 요구되는 내부 진공도를 용이하게 유지 및 획득할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기(FWTWT)에서 도파관 부분을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기(FWTWT)의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 유동 홀의 제1 실시예.
도 4는 본 발명에 따른 유동 홀의 제2 실시예.
도 5는 본 발명에 따른 진행파관기의 하우징 외관을 나타낸 사시도.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기(FWTWT)에서 도파관 부분을 도시한 개략도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 사각형의 단면을 가지며 U자형으로 주기적으로 교차 배열되어 지그재그로 연결된 접혀진 형상의 도파관(10)과 전자빔이 발생되는 전자총(2)과 상기 전자총(2)에서 나온 전자빔이 상기 도파관(10)의 전자파가 입력되는 입력단부터 전자파가 출력되는 출력단까지 일직선으로 이동할 수 있도록 상기 도파관(10) 벽을 일렬로 관통하여 형성된 다수 개의 빔 홀(11)과 진행파관기의 내부 기체가 상기 도파관(10)의 전자파가 입력되는 입력단부터 전자파가 출력되는 출력단까지 일직선으로 이동할 수 있도록 상기 도파관(10) 벽을 일렬로 관통하여 형성된 다수 개의 유동 홀(12)을 포함한다.

상기 전자총(2)은 전자파와의 상호작용을 위한 전자 빔(beam)을 발생시키기 위한 것으로, 열전자 방출형, 전계방출형 등 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 다양한 구조 및 재료의 전자방출 캐소드(cathode)가 채용될 수 있다.

상기 도파관(10)은 상기 전자총(2)으로부터 발생된 전자 빔과 상기 도파관(10) 내에 입력된 전자파가 상호작용하는 통로로서, 전자파의 위상속도를 지연시키기 위하여 U자형으로 주기적으로 교차 배열되어 지그재그로 연결된 접혀진 형태를 갖게 된다.

전자 빔의 이동을 위한 다수 개의 상기 빔 홀(11)은 일직선을 따라 하나의 이동 경로를 형성하며, 같은 이동 경로에 위치한 다수 개의 상기 빔 홀(11)의 직경은 동일하다.

상기 빔 홀(11)의 반지름은 전자파 주파수 대역에 따라 가변적일 수 있다. 예컨대, 주파수 대역이 테라 헤르츠(terahertz)까지 증가하면 상기 도파관(10)의 크기가 기존보다 작아지게 되고 이에 대응하여 상기 빔 홀(11)의 반지름도 기존보다 작아질 수 있다.

진행파관기 내부 진공도를 용이하게 획득하기 위하여 내부 기체의 이동을 위한 이동 경로가 되는 다수 개의 상기 유동 홀(12)은 하나의 이동 경로를 형성하며, 같은 이동 경로에 위치한 다수 개의 상기 유동 홀(12)의 직경은 동일하다. 상기 유동 홀(12)의 이동 경로는 상기 도파관(10) 크기를 고려하여 복수 개 형성될 수 있고, 상기 빔 홀(11)을 기준으로 양쪽이 대칭되도록 형성된다. 상기 유동 홀(12)의 이동 경로를 복수 개 형성함으로써 더욱 신속하게 내부 진공도를 획득할 수 있다. 도 2에서는 이동 경로가 2개 형성된 예를 도시하였다.

상기 유동 홀(12)의 직경은 제한되지 않지만 상기 빔 홀(11)의 직경보다는 작은 직경을 가지도록 형성된다. 또한, 내부 기체의 전자 빔에 대한 영향을 최소화하도록 상기 유동 홀(12)은 상기 빔 홀(11)과 일정거리 이격되어 형성되게 된다.

상기 유동 홀(12)의 형태는 원형, 사각형 등의 다각형을 포함하여 제한 없이 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 도 3에서는 유동 홀의 제1 실시예를 도시하였고, 도 4에서는 유동 홀의 제2 실시예를 도시하였다.

도 3에서는 서로 다른 이동 경로를 구성하는 상기 유동 홀(12)이 동일한 직경을 가지는 것으로 도시되었으나, 이는 하나의 예시이며 서로 다른 이동 경로를 구성하는 상기 유동 홀(12)이 상이한 직경을 가지도록 형성될 수도 있다.

상기 유동 홀(12)은 도 3과 도 4에 도시된 일 실시예에 한하지 않고, 상기 도파관(10)의 크기, 상기 빔 홀(11)의 직경, 서로 다른 상기 유동 홀(12)과의 관계 등을 고려하여 최적의 크기, 형상, 개수, 위치 등을 산출하여 다양한 방법으로 형성될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 진행파관기의 하우징 외관을 도시한 사시도이다.

상기 도파관(10)을 내부에 수용하는 구조체인 하우징(20)은, 직육면체 형상에서 상기 도파관(10)의 상기 입력단 및 상기 출력단과 대응되는 위치에 상기 도파관(10)의 단면과 같은 크기와 형태로 일정 높이 돌출된 상기 도파관(10)이 연장된 구조이며, 상기 돌출된 부분의 끝단면에는 외부의 RF(Radio Frequency) 생성 수단(미도시)과 연결되어 상기 도파관(10) 내부에 전자 빔과의 상호 작용을 위한 RF 신호를 주입하고 상호 작용이 종료된 RF 신호의 방출 통로를 제공하기 위한 전자파가 이동될 수 있도록 상기 도파관(10)의 단면과 같은 크기의 제3홀(23)이 형성되어 있다.

상기 하우징(20)에는 상기 빔 홀(11)과 대응되는 위치에 상기 빔 홀(11)과 같은 직경의 제1홀(21)이 형성되어 있고, 상기 유동 홀(12)과 대응되는 위치에 상기 유동 홀(12)과 같은 직경의 제2홀(22)이 형성되어 있다.

상기 제1홀(21)은 상기 빔 홀(11)과 마찬가지로 전자 빔이 입출력되는 홀로서, 상기 전자총(2)으로부터 발생된 전자 빔을 입력받고, 상호작용이 종료된 전자 빔이 환원되는 통로를 제공하며, 상기 제2홀(22)은 외부의 진공 펌프(미도시)와 연결되어 상기 유동 홀(12)과 마찬가지로 내부 기체의 유동을 위한 통로를 제공한다.

상기 하우징(20)은 알루미늄 혹은 코발트-크로미움(CrCo) 합금을 이용하여 형성될 수 있다.

본 발명은 공지된 다양한 방법을 통하여 제작될 수 있다. 예를 들어, 리가 공정(LIGA, Lithograpie Galvanofomung Abformung process)을 이용할 수 있다. 상기 도 2에 도시된 부분을 아래쪽 도파관이라고 할 경우, 상기 아래쪽 도파관 부분과 대칭되도록 위쪽 도파관에 회로를 프린트하고 상기 아래쪽 도파관과 상기 위쪽 도파관을 결합시켜 제작할 수 있다. 이 제작방식을 이용하면 하우징(20)과 상기 도파관(10)이 일체로 형성될 수 있다.

다른 예로는, 특정온도에서 소재가 고형화되는 방식으로 레이저를 분말 소재에 조사해서 해당 영역만 굳히는 소결 방식 중 하나인 직접식 금속 레이저 소결(DMLS, Direct Metal Laser Sintering) 공정을 이용하여 도파관(10)을 위쪽과 아래쪽으로 분리하여 제작하는 방식이 아닌 하나의 회로로 제작할 수도 있다.

한편, 도면에는 미도시되었으나, 본 발명에 따른 진행파관기는 상기 도파관 (10)후단에서 전자 빔 에너지의 환원을 위한 빔 컬렉터(beam collector), 전자 빔 집속을 위한 자석(magnet), 상기 도파관 내에 주입되는 전자파 신호를 생성하는 신호 생성 수단, 전자파 신호의 입/출력단에 연결되는 커플러(coupler) 등을 추가로 포함하여 구현될 수 있다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 종래의 접혀진 형상의 도파관
2: 전자총
10: 본 발명의 접혀진 형상의 도파관
11: 빔 홀
12: 유동 홀
20: 하우징
21: 제1홀
22: 제2홀
23: 제3홀

Claims (13)

1. 진행파관기에 적용되는 도파관에 있어서,
   사각형의 단면을 가지며, 지그재그로 연결된 접혀진 형상의 도파관;과
   전자빔이 발생되는 전자총;과
   상기 전자총에서 나온 전자빔이 상기 도파관의 전자파가 입력되는 입력단부터 전자파가 출력되는 출력단까지 일직선으로 이동할 수 있도록 상기 도파관 벽을 일렬로 관통하여 형성된 다수 개의 빔 홀;과
   상기 진행파관기의 내부 기체가 상기 도파관의 전자파가 입력되는 입력단부터 전자파가 출력되는 출력단까지 일직선으로 이동할 수 있도록 상기 도파관 벽을 일렬로 관통하여 형성된 다수 개의 유동 홀;을 포함하며,
   다수 개의 상기 유동 홀은 하나의 이동 경로를 형성하며, 같은 이동 경로에 위치한 다수 개의 상기 유동 홀의 직경은 동일하고, 상기 이동 경로는 복수 개 형성되고,
   상기 유동 홀은 상기 빔 홀과 일정거리 이격되어 형성되며, 상기 빔 홀을 기준으로 대칭되어 형성되며,
   상기 유동 홀의 직경은 상기 빔 홀의 직경보다 작으며, 상기 유동 홀에 의해 진공도가 달성되는 것을 특징으로 하는 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 도파관의 연결은 U자형으로 주기적으로 교차 배열된 것을 특징으로 하는 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 빔 홀의 반지름은 전자파 주파수 대역에 따라 가변적인 것을 특징으로 하는 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기.
4. 제3항에 있어서,
   다수 개의 상기 빔 홀은 하나의 이동 경로를 형성하며, 같은 이동 경로에 위치한 다수 개의 상기 빔 홀의 직경은 동일한 것을 특징으로 하는 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제4항에 있어서,
   상기 도파관을 내부에 수용하는 구조체인 하우징은, 직육면체 형상에서 상기 도파관의 상기 입력단 및 상기 출력단과 대응되는 위치에 상기 도파관의 단면과 같은 크기와 형태로 일정 높이 돌출된 상기 도파관이 연장된 구조이며, 상기 돌출된 부분의 끝단면에는 상기 도파관의 단면과 같은 크기의 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 하우징에는 상기 빔 홀 및 상기 유동 홀과 대응되는 위치에 상기 빔 홀 및 상기 유동 홀과 같은 직경의 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 하우징은 알루미늄 혹은 코발트-크로미움(CrCo) 합금을 이용하여 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기.
11. 제10항에 있어서,
    상기 도파관은 직접식 금속 레이저 소결(DMLS, Direct Metal Laser Sintering) 공정을 이용하여 제작될 수 있는 것을 특징으로 하는 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기.
12. 제10항에 있어서,
    상기 도파관은 리가 공정(LIGA, Lithograpie Galvanofomung Abformung process)을 이용하여 제작될 수 있는 것을 특징으로 하는 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기.
13. 제12항에 있어서,
    상기 도파관은 상기 리가 공정을 이용하여 상기 하우징과 일체로 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 접혀진 형상의 도파관 및 이를 포함하는 진행파관기.

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