KR102266009B1 - 사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호작용 회로 - Google Patents

사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호작용 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명의 다양한 실시 예는 전자기파 상호작용 회로에 관한 것이다. 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호작용 회로는 사인파 형상의 제1 릿지부를 구비하며 전자기파가 진행하는 통로인 도파관; 상기 도파관의 양측에 위치하여 상기 도파관과 연통하며 사인파 형상의 제2 릿지부를 구비하고 상기 전자기파가 진행하는 통로인 커플러부; 및 상기 도파관과 상기 커플러부를 길이 방향으로 관통하도록 위치하며 전자빔이 진행하는 통로인 전자빔 터널;을 포함하고, 상기 커플러부는 상기 도파관이 위치한 방향으로 두께가 감소하도록 테이퍼진 내주면을 구비하고, 상기 제2 릿지부는 상기 테이퍼진 내주면에 위치하며 상기 도파관이 위치한 방향과 반대 방향으로 갈수록 높이가 낮아질 수 있다. 다른 실시 예들도 가능할 수 있다.

Description

사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호작용 회로{ELECTROMAGNETIC WAVE INTERACTION CIRCUIT USING SINE-SHAPED WAVEGUIDE}
본 발명은 전자기파 상호작용 회로에 관한 것으로, 보다 자세하게는 테라헤르츠파를 발진 또는 증폭시키기 위한 사인파 형상의 도파관이 적용된 전자기파 상호작용 회로에 관한 것이다.
저속파와 전자빔이 상호작용하는 현상을 이용하여 전자기파를 생성해내는 진공전자장치(발진기 및 증폭기)는 현재 밀리미터 및 서브 밀리미터 파장 범위에서 가장 광범위하게 사용되는 발생장치이다. 일반적으로 이러한 가용 발생원 및 증폭기의 출력은 주파수가 증가할수록, 특히 테라헤르츠파 범위에서 출력이 급격히 감소한다.
기존에 다수의 전자기파 상호 작용 회로구조가 테라헤르츠파 진공전자장치의 급속한 개발과 함께 도입되었고, 주름진 직사각형 도파관, 이중 파형 직사각형 도파관, 스태거 형, 이중 베인구조, 준 평행판 등이 테라헤르츠파 발진기 및 증폭기의 전자기파 상호 작용 회로구조로 이용되고 있다.
이러한 다양한 회로의 구조에 따라서 진공내에서의 전자빔과 상호작용하는 특성이 달라지게 되며 이는 발생하는 전자기파의 주파수, 대역폭 및 출력을 결정한다. 특히 테라헤르츠파는 매우 높은 주파수에 해당하는데, 발생시켜야 할 전자기파의 주파수가 높아지면 그에 맞게 상호작용 회로가 작아지게 되고, 이는 전자빔이 회로와 상호작용을 하는 효율을 낮추게 되며 전송손실의 증가를 수반되며, 결국 테라헤르츠파 대역에서의 전송출력이 매우 낮아지게 된다. 이는 전자빔이 회로와 상호작용을 하는 효율을 낮추게 되고, 전송손실의 증가를 수반하기 때문에 테라헤르츠파 대역에서의 전송 출력을 매우 낮아지게 하는 문제점이 있었다.
한국공개특허 10-2018-0067456
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 전송 손실을 방지하고 고출력의 발진기 및 증폭기에 이용될 수 있는 사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호작용 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호작용 회로는 사인파 형상의 제1 릿지부를 구비하며 전자기파가 진행하는 통로인 도파관; 상기 도파관의 양측에 위치하여 상기 도파관과 연통하며 사인파 형상의 제2 릿지부를 구비하고 상기 전자기파가 진행하는 통로인 커플러부; 및 상기 도파관과 상기 커플러부를 길이 방향으로 관통하도록 위치하며 전자빔이 진행하는 통로인 전자빔 터널;을 포함하고, 상기 커플러부는 상기 도파관이 위치한 방향으로 두께가 감소하도록 테이퍼진 내주면을 구비하고, 상기 제2 릿지부는 상기 테이퍼진 내주면에 위치하며 상기 도파관이 위치한 방향과 반대 방향으로 갈수록 높이가 낮아질 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 아래와 같은 다양한 효과들을 가진다.
본 발명은 전자기파 상호작용 회로의 전송 손실을 방지하고 출력을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 빔 - 웨이브 상호 작용 회로의 우수한 전송 특성으로 인해 와트 레벨 출력 전력을 달성 할 수 있다.
또한, 본 발명은 비대칭 사인파 능선구조를 도입하여 우수한 임피던스 정합을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명은 종래 후방파 발진기보다 3-4배 큰 이득 대역폭 곱을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파 상호작용 회로를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파 상호작용 회로의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파 상호작용 회로의 일부를 나타낸 절단 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파 상호작용 회로의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러부를 나타낸 절단 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러부를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파 발생장치를 나타낸 단면도이다.
도 8 내지 도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파 상호작용 회로의 효과를 설명하기 위한 예시도들이다.
이하 본 발명의 다양한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파 상호작용 회로를 나타낸 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파 상호작용 회로의 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파 상호작용 회로의 일부를 나타낸 절단 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파 상호작용 회로의 단면도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러부를 나타낸 절단 사시도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 커플러부를 나타낸 단면도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파 발생장치를 나타낸 단면도이다. 도 8 내지 도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파 상호작용 회로의 효과를 설명하기 위한 예시도들이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파 상호작용 회로(100)는 중앙에 위치하는 도파관(110), 도파관(110)과 연결된 커플러부(120) 및 도파관(110)과 커플러부(120)을 관통하는 전자빔 터널(130)을 포함할 수 있다. 커플러부(120)은 테이퍼형 커플러일 수 있고, 증폭기(증폭기용) 및 출력 커플링(양쪽 발진기 및 증폭기용)을 제공할 수 있다. 즉, 커플러부(120)은 입출력 커플러 역할을 할 수 있고 사인파 형태가 양 단으로 갈수록 가늘어지며 진폭이 선형적으로 점차 감소하는 형상을 가질 수 있고, 테라헤르츠 전자기파는 넓은 선형 시트 형상의 전자빔 터널(130)에 응답하여 사인파 형상의 도파관(110)과 커플러부(120)에 의해 전자빔 터널(130)의 진행 방향과 반대 방향으로 생성될 수 있다. 이러한 슬로우 웨이브 구조는 매우 넓은 '콜드 (cold)' 대역폭과 전자기 특성 계산으로 인한 회로 전송 손실이 매우 적은 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호 작용 회로구조(100)는 전자빔 터널(130)에 의해 시트 형태의 전자빔의 에너지가 효과적으로 전자기파로 변환되어 기존에 비해 고출력을 달성할 수 있으며, 광대역의 테라헤르츠파 범위에서 작동하기 때문에 다양한 응용범위에 사용될 수 있다.
테라헤르츠파는 고출력 발생원의 부재로 인하여 그동안 연구 진척이 미진하였던 분야이었지만 본 발명의 일 실시예에 따른 사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호 작용 회로구조(100)를 이용하는 경우에는 고출력 광대역 테라헤르츠 발생원 및 증폭기의 개발이 가능하다. 일 예로 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기파 상호 작용 회로구조는 다음과 같은 넓은 응용분야에 기여가 가능하다. 생물학의 기본을 이루는 물, 고체에서의 자유전자의 떨림 등이 테라헤르츠 주파수 대역에서 작동하기 때문에 기초과학인 생명과학, 화학 및 고체물리학의 분야에 사용될 수 있다. 테라헤르츠파가 물에 민감하게 흡수되는 반면 대부분의 물질을 투과하는 것을 이용하여 보안분야에서 X선을 대체할 새로운 전자기파 발생원으로 응용될 수 있다. 피부 및 세포 조직의 물의 함량에 대해서도 이미지상에서 높은 명암비를 보여주기 때문에 생체 의학 진단 분야에서도 새로운 진단 툴로 응용될 수 있다. 기존 통신 주파수인 밀리미터대역보다 약 100배에서 1000배 빠른 진동수를 가지고 있으므로 차세대 초고속 통신 시스템에도 응용될 수 있다. 이외에도 전자기파의 출력 및 주파수 범위가 매우 중요한 다양한 분야에 응용될 수 있다.
하기에서 본 발명의 전자기파 상호작용 회로(100)의 구조에 대해 구체적으로 후술한다.
일 실시 예에서, 도파관(110)은 사인파 형상의 제1 릿지부(113,114)를 구비하며 전자기파가 진행하는 통로일 수 있다. 커플러부(120)은 도파관(110)의 양측에 위치하여 도파관(110)과 연통하며 사인파 형상의 제2 릿지부(123,124)를 구비하고 전자기파가 진행하는 통로일 수 있다. 전자빔 터널(130)은 도파관(110)과 커플러부(120)을 길이 방향으로 관통하도록 위치하며 전자빔이 진행하는 통로일 수 있다. 전자빔 터널(130)은 직사각형 형상을 가질 수 있고, 시트 형상 또는 원형의 전자빔을 이용할 수 있다.
구체적으로, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 도파관(110)은 상부 구조체(111), 하부 구조체(112), 측부 구조체(115) 및 제1 릿지부(113,114)를 포함할 수 있고 전자빔 터널(130)을 둘러쌀 수 있다. 도 1과 도 3에 도시된 도파관(110)은 설명의 편의를 위해 측부 구조체(115) 중 하나를 생략하여 도시하였지만 실제로는 도 4와 같이 상부 구조체(111), 하부 구조체(112) 및 측부 구조체(115)가 서로 연결되어 내부 구성을 둘러쌀 수 있다. 측부 구조체(115)의 높이(23)는 전자기파 상호작용 회로의 용도에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 또한, 제1 릿지부(113,114)의 마루와 다음 마루 사이의 간격, 즉 돌출 주기(13)는 전자기파 상호작용 회로(100)의 출력의 크기에 따라 조절될 수 있고, 높이(11)도 조절될 수 있다. 상부 구조체(111), 하부 구조체(112), 측부 구조체(115)는 예를 들면, 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 또는 스테인리스 스틸(stainless steel) 등과 같은 금속 재질로 이루어질 수 있다. 한편, 상부 구조체(111), 하부 구조체(112), 측부 구조체(115)는 예를 들면 실리콘 등과 같은 비금속 재질로 이루어질 수도 있으며, 이 경우 상부 구조체(111), 하부 구조체(112), 측부 구조체(115)의 내면은 금속층으로 코팅될 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 릿지부(113,114)는 상부 구조체(111)에 형성된 상단 릿지부(113)와 하부 구조체(112)에 형성된 하단 릿지부(114)를 포함할 수 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 상단 릿지부(113)의 마루와 하단 릿지부(114)의 골이 서로 중첩하고, 상단 릿지부(113)의 골과 하단 릿지부(114)의 마루가 중첩할 수 있다. 즉, 상단 릿지부(113)와 하단 릿지부(114)의 마루는 서로 어긋나도록 형성될 수 있다. 또한, 제1 릿지부(113,114)는 발생시켜야 할 주파수의 대역에 따라 전체 길이(24)가 달라질 수 있다. 제1 릿지부(113,114)가 사인파 형태로 어긋나게 형성됨으로써 전자기파의 속도를 효과적으로 낮출 수 있다. 일반적으로, 전자기파 상호작용 회로에서는 전자빔의 속도에 비하여 도파관 내를 진행하는 전자기파의 속도가 훨씬 빠르다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서와 같이 사인파 형상으로 제1 릿지부(113,114)를 형성하게 되면 전자빔과 상호작용하는 전자기파의 속도를 효과적으로 줄일 수 있다. 또한 이와 같이 상단 릿지부(113)와 하단 릿지부(114)를 형성할 경우 상단 릿지부(113)와 하단 릿지부(114) 주위에 전기장이 집중됨으로써 전기장의 세기를 향상시킬 수 있고, 이에 따라 고출력을 얻을 수 있다. 또한 차단 주파수(cutoff frequency)가 낮아짐으로써 주파수 대역이 넓어질 수 있다.
일 실시 예에서, 도파관(110)은 제1 릿지부(113,114)가 형성된 중앙 영역(22)의 좌우 영역(21)에 공동(cavity) 통로를 구비할 수 있다. 도파관(110)은 공동 통로를 통해 공명관 기능을 수행할 수 있다. 구체적으로 사인파 형상의 제1 릿지부(113,114)에 의해 전자기파는 그 세기가 커지면서 동시에 구조에 의한 특성 임피던스(characteristic impedence)의 증가로 반사파가 발생하게 된다. 그리고, 이러한 반사파는 제1 릿지부(113,114)의 양측에 위치한 공통 통로에 집중되게 되고, 그 결과 전자기파의 가둠현상(confinement)에 의해 전기장의 세기가 커지게 된다.
일 실시 예에서, 제1 릿지부(113,114)의 돌출 주기(13)는 일정할 수 있고, 제1 릿지부(113,114)는 복수의 릿지들을 포함할 수 있다. 상기 복수의 릿지들의 돌출 주기(13), 높이(14) 및 폭(12)은 일정할 수 있다. 즉, 복수의 릿지들은 모두 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상단 릿지부(113)와 하단 릿지부(114)의 높이의 중간 지점간 이격거리(15)는 전자빔 터널(130)의 두께(16), 상단 릿지부(113)의 절반의 높이(11) 및 하단 릿지부(14)의 절반의 높이의 합보다 클 수 있다.
일 실시 예에서, 상단 릿지부(113)와 하단 릿지부(114)의 최단 거리(17)와 전자빔 터널(130)의 두께의 길이(16)간 차이(도4에서 전자빔 터널(130)과 제1 릿지부(113,114)간 이격거리)는 전자빔 터널(130)의 두께(131)의 길이(16)의 절반보다 작을 수 있다. 또한, 상단 릿지부(113)와 하단 릿지부(114)의 최단 거리(17)는 상단 릿지부(113) 또는 하단 릿지부(114) 높이의 절반(11)보다 작을 수 있다. 또한, 상단 릿지부(113)와 하단 릿지부(114)의 최단 거리(17)는 상단 릿지부(113) 또는 하단 릿지부(114)의 돌출 주기(13)보다 작을 수 있다. 이와 같이 상단 릿지부(113)와 하단 릿지부(114)의 최단 거리(17)를 제어할수록 전자빔과 전자기파의 상호작용 시간(transit time)이 줄어들게 되고, 이에 따라 고주파 발진을 구현할 수 있다.
일 실시 예에서, 구체적으로, 도1, 도 5 및 도 6을 참조하면, 커플러부(120)은 상부 구조체(121), 하부 구조체(122), 측부 구조체(125) 및 제2 릿지부(123,124)를 포함할 수 있고 전자빔 터널(130)을 둘러쌀 수 있다. 도 1에 도시된 커플러부(120)은 설명의 편의를 위해 측부 구조체(125) 중 하나를 생략하여 도시하였지만 실제로는 상부 구조체(121), 하부 구조체(122) 및 측부 구조체(125)가 서로 연결되어 내부 구성을 둘러쌀 수 있다. 측부 구조체(125)의 높이는 전자기파 상호작용 회로의 용도에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 커플러부(120)의 외부 형상은 도파관(110)과 동일할 수 있다.
일 실시 예에서, 커플러부(120)은 도파관(110)이 위치한 방향으로 두께가 감소하도록 테이퍼진 내주면(121a,122a)을 구비할 수 있다. 제2 릿지부(123,124)는 테이퍼진 내주면(121a,122a)에 위치하며 도파관(110)이 위치한 방향과 반대 방향으로 갈수록 높이가 낮아질 수 있다. 예컨대, 커플러부(120)의 입출력 개구부(126)와 인접한 영역에서 커플러부(120)은 테이퍼 형상을 가지지 않고 평탄한 면을 가질 수 있다. 입출력 개구부(126)의 폭(31)과 높이(32)는 전자기파 상호작용 회로의 용도에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 커플러부(120)은 제2 릿지부(123,124)가 테이퍼진 내주면(121a,122a)의 중앙에 위치할 수 있고 제2 릿지부(123,124)의 양 옆에 공동(cavity) 통로(33)를 구비할 수 있다. 구체적으로 사인파 형상의 제2 릿지부(123,124)에 의해 전자기파는 그 세기가 커지면서 동시에 구조에 의한 특성 임피던스(characteristic impedence)의 증가로 반사파가 발생하게 된다. 그리고, 이러한 반사파는 제2 릿지부(123,124)의 양측에 위치한 공통 통로에 집중되게 되고, 그 결과 전자기파의 가둠현상(confinement)에 의해 전기장의 세기가 커지게 된다.
예를 들어, 제2 릿지부(123,124)는 상부 구조체(121)에 형성된 상단 릿지부(123)와 하부 구조체(122)에 형성된 하단 릿지부(124)를 포함할 수 있고, 제2 릿지부(123,124)의 돌출 주기는 일정할 수 있다. 예컨대, 제1 릿지부(113)의 돌출 주기(13)와 제2 릿지부(114)의 돌출 주기(35)는 동일할 수 있다. 또한, 제2 릿지부(123,124)의 골의 높이(34)는 입출력 개구부(126)와 가까워질수록 낮아질 수 있다.
도 7을 참조하면, 전자기파 발생장치는 전자기파 상호작용 회로(100), 전자빔 터널(130)과 연결되며 전자기파 상호작용 회로(100)에 전자빔을 제공하는 전자총(310) 및 전자기파 상호작용 회로(100)로부터 배출된 전자빔을 수집하는 콜렉터(400)를 포함할 수 있다. 전자기파 발생장치는 특히 밀리미터파, 서브밀리미터파, 또는 테라헤르츠 주파수대역의 전자기파를 발생시킬 수 있다.
예를 들어, 전자기파 상호작용 회로(100)는 커플러부(120)의 일측에 연결되며 커플러부(120)의 길이 방향과 수직한 방향으로 길게 연장된 입력부(500) 및 커플러부(140)의 타측에 연결되며 커플러부(140)의 길이 방향과 수직한 방향으로 길게 연장된 출력부(600)를 포함할 수 있다. 또한, 전자총(310)는 구조체(310)에 고정될 수 있고, 전자빔은 수용체(320)를 통해 전자빔 터널(130)로 입사될 수 있다.
예를 들어, 전자총(310)으로부터 방출된 전자빔은 입력부(500)를 통해 전자기파 상호작용 회로(100)에 입력될 수 있다. 그런 후, 전자빔은 전자빔 터널(130)을 따라 진행하면서, 도파관(110)에서 공진하는 전자기파와의 상호작용을 통해 전자기파에 에너지를 전달할 수 있다. 물론 여기서 커플러부(120)에서도 일부 공진 기능을 수행할 수 있다. 전자기파에 에너지를 전달하고 남은 잔여 전자빔은 출력부(600)를 통해 배출될 수 있으며, 배출된 전자빔은 콜렉터(400)에 의해 수집될 수 있다. 한편, 도파관(110)에서 전자빔과의 상호작용을 통해 증폭된 테라헤르츠 전자기파는 커플러부(120)를 통해 입력부(500) 또는 출력부600)로 출력될 수 있다. 출력부(600)는 발진기에 대한 정합 부하 및 증폭기에 대한 출력 커플러일 수 있다. 또한, 포커싱 시스템(200)은 전자기파 상호작용 회로를 둘러쌀 수 있고, 주기적 영구 자석(PPM) 또는 주기적 커스핑 자석(PCM)이 될 수 있다.
하기에서 본 발명의 효과를 도 8 내지 도 22를 참고하여 구체적으로 설명한다.
도 8은 전자빔(830)과 전자기파 상호작용 회로(100)의 파동 사이의 분산 관계(dispersion relation)를 도시한 것이다. 도 8을 참조하면, 전자기파 발생 회로(100)는 전방파(810) 및 후방파(820)를 손상시킬 수 있다. 증폭기의 경우, RF 입력파는 전자빔 터널(130)을 따라 이동하고 전방파(810)와 상호 작용하는 반면, 발진기의 경우 후방파(820)와 상호 작용할 수 있다. 발진기의 경우에, 반사파는 빔 전파의 반대 방향으로 진행할 수 있다. 오실레이터는 250GHz 주파수 튜닝 대역폭을 제공하는 1-32kV 범위에서 빔 전압(830)의 변화에 의해 튜닝 될 수 있다. 그러나 6-32kV의 전자 빔 전압 범위는 장치 안정성과 호환되는 것으로 가정한다.
도 9는 0.35 ~ 1.2 THz 주파수 범위에서 기존 사인 도파관(920)과 본 발명의 전자기파 상호작용 회로(910)의 BWO(backward wave oscillator)의 분산 관계를 도시한다. 도 10은 0.6-1.0 THz의 주파수 범위에서 기존 사인 도파관(940)과 본 발명의 전자기파 상호작용 회로(930) 회로의 상호 작용 임피던스(interaction impedence)를 도시한다. 본 발명의 전자기파 상호작용 회로(910) 대역폭은 기존 사인 도파관(920)(0.51-1.17 THz)의 대역폭보다 20 %(0.27-1.06 THz) 더 크다.
또한, 도 10에서, 본 발명의 전자기파 상호작용 회로(930)의 상호 작용 임피던스가, 특히 테라 헤르츠 주파수 0.85 THz에서 기존 사인 도파관(940)보다 2 배이상 훨씬 더 크다는 것을 알 수 있다. 상호 작용 임피던스는 종 방향 전기장의 진폭의 제곱에 비례하고 n 번째 공간 고조파의 위상 상수 및 종 방향을 따른 전송 전력에 반비례한다. 일반적으로, 융기된 도파관은 융기부 주위의 전기장 세기를 보다 쉽게 제한할 수 있다.
도 11 및 도 12는 각각 0.85 THz에서 동일한 치수를 갖는 본 발명의 전자기파 상호작용 회로(100) 및 기존 사인 도파관의 종 방향 전기장의 분포의 비교를 보여준다. 시트 형태의 전자빔 터널(130)을 구비한 본 발명의 종 방향 전자장 진폭(도 11)이 훨씬 더 크다는 것을 알 수 있다. 종 방향 전자장 진폭이 커지는 것은 상호작용 임피던스가 크게 개선되는 주된 이유이다. 발진기의 경우 시작 전류는 저속 파 구조의 노이즈에서 진동을 시작하는 데 필요한 최소 빔 전류이며 하기 식 1으로 표현할 수 있다.
[식 1]
Figure 112019130898036-pat00001
여기서 Ist는 범용 시작 전류이고, IA = mc3/q = 1.7Х104A, p는 돌출 주기(도 2의 13)의 길이, L은 상호작용 거리의 전체 길이(도 3의 24), γi와 βzi는 전자빔의 상대론적 요인과 정규화된 축 속도,
Figure 112019130898036-pat00002
이고, 여기서
Figure 112019130898036-pat00003
는 공명 주파수이고 vzi는 전자 빔의 속도이다. 또한,
Figure 112019130898036-pat00004
및 Kc는 각각 그룹 속도 및 상호작용 임피던스이다. 본 발명의 개념에 따르면, 상호작용 임피던스의 큰 증가는 상호작용 거리(24)의 총 길이가 실질적으로 동일한 시작 전류로 단축 될 수 있음을 의미한다. 따라서, 본 발명의 전자기파 상호작용 회로는 전송 손실을 줄이고 시트 빔의 전송 효율을 높이는 데 매우 유용다.
도 13 및 도 14는 낮은 (0.15-0.35 THz) 및 높은 (0.6-1.0 THz) 주파수 범위에 최적화 된 회로에 대한 반사 파라미터(s11) 및 전송 손실(s21)의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프입니다. 두 경우 모두에 대해 전체 주파수 범위에서 전송 손실 S21> -0.6dB 및 반사 파라미터 S11 < -20dB임을 알 수 있으며, 이는 본 발명의 상호 작용 회로가 우수한 전송 특성을 가짐을 나타낸다.
도 15는 XY 평면의 단면도에서 0.85 THz의 발명 된 상호 작용 회로의 구동 주파수에 대한 벡터 전자장 에너지 분포를 표시하고, 도 16은 YZ 및 XZ 평면에서 단면도로 0.85THz의 발명 된 상호 작용 회로의 구동 주파수에 대한 Ez- 필드 에너지 분포를 표시한다. 즉, 도 15 및 도 16은 전자기파 상호작용 회로(100)의 구동 주파수 0.85 THz에 대한 필드 에너지 분포를 단면도로 나타낸다. 전기장 에너지는 주로 사 인파 형상의 융기 부분(마루)에 집중되어 있음을 알 수 있다. 이 현상은 본 발명의 전자기파 상호작용 회로(100)의 전계 제한 특성이 매우 우수함을 증명한다. XZ- 평면에서의 분포는 필드 에너지가 (220) × (310)의 단면적을 갖는 직사각형 터널에 주로 한정됨을 나타냈다. XZ- 평면에서 직사각형 시트 빔 터널은 전기장의 옴 접촉 면적이 크게 감소되는 저속 파 구조 벽과 유사하다. 한편, 매끄러운 사인파 형상의 릿지부에 의해 도약점이 감소하기 때문에 반사가 비교적 작다. 따라서, 본 발명의 전자기파 상호작용 회로의 전송 손실은 테라헤르츠 대역에서 발진기를 설계할 경우 매우 적음을 알 수 있다.
위의 전자기 특성 계산으로부터, 본 발명의 전자기파 상호작용 회로를 구비한 한 후방파 발진기를 추측 할 수 있으며 높은 출력 전력과 넓은 작동 대역폭을 가져야 할 것으로 예상할 수 있다. 추론을 검증하기 위해, FDTD (finite-difference-time-domain) 및 PIC (particle-in-cell) 알고리즘을 기반으로 한 3차원 CST STUDIO SUITE 코드를 사용하여 출력 전력 및 발진 주파수를 예측했다. 그 후, 단면적이 100 × 15μm2 인 1 개의 16kV 전압 및 8mA 전류 시트 전자빔이 전자빔 터널의 중간에 추정 적으로 채택된다. 또한, 1Tesla의 균일 한 종 방향 자기장은 빔 감금을 보장하고 사 인파 형상의 릿지부와의 충돌을 피하기 위해 부과된다.
종 방향 위치의 함수로서 전자 에너지와 같은 전형적인 PIC 시뮬레이션 결과는 대부분의 전자가 감속되고 전체 전자 빔의 운동 에너지가 점차적으로 고주파 전자기장 에너지로 변환됨을 보여준다. 저속 파 구조에서 생성 된 고주파 필드의 상호 작용으로 인해 빔의 전자가 주기적으로 가속 및 감속되어 빔축을 따라 뭉치게 된다. 이러한 물리적 현상은 O 형 진공전자장치(VED)에서 매우 일반적이다. 출력 포트에서 모니터링 된 출력 신호는 3.1ns의 빔-파 상호 작용 후 신호 출력 전력이 최대 1.186W임을 보여준다. 출력 신호의 주파수 스펙트럼에서 정확한 작동 주파수는 0.8531THz이며 주파수 스펙트럼은 매우 순수하다. 동작점을 제외한 다른 지점의 주파수에서 정규화 된 진폭은 최소이며, 이는 새로운 고주파 상호 작용 회로에서 고차 모드가 잘 억제됨을 나타낸다.
본 발명의 전자기파 상호작용 회로의 동조 성능을 입증하기 위해, 상이한 빔 전압(V0 = 6,8,12,16,20,24,28 및 32kV)이 선택된다. 시트빔 전류 및 포커싱 자기장은 원래 값에서 변하지 않고 유지된다. 도 17은 빔 전압 튜닝에 의한 발진 주파수 포인트 및 출력 전력을 도시한다. 튜너블 대역폭이 1.2 %의 상호 작용 효율에 해당하는 최대 출력 전력 3.08W로 370GHz (0.617THz에서 0.99THz)를 초과 함을 보여준다. 동시에 본 발명의 전자기파 상호작용 회로의 출력 전력은 전체 활성 주파수 범위에서 0.625W 이상으로 생성 될 수 있다. 또한, 발진 주파수의 증가는 동작 전압 (V0)의 증가 및 주파수 증가와의 상호 작용 임피던스 (Kc)로 인해 출력 전력의 증가에 대응한다.
도 18 내지 도 22를 참조하면, W 대역 주파수 범위에서 콜드 테스트 결과를 보여준다. 실험적인 냉간 테스트 결과와 3D FDTD 시뮬레이션의 비교는 그 사이에 좋은 일치를 보이며 발명된 개념을 증명한다. 시뮬레이션에서 OFHC Cu 전도도는 금속 벽의 비이상적 표면 거칠기를 고려하기 위해 2.25 x 107S/m으로 선택된다. 본 발명의 전자기파 상호작용 회로 구조는 CNC(Computer Numerical Control) 고속 밀링 머신에 의해 제조된다.(도 19). 한편 도 18은 기존 직사각형 도파관을 나타낸다. 먼저 본 발명의 회로는 중간에서 상반부와 하반부로 절단 된 다음 CNC 고속 밀링 커터에 의해 각각 절삭된다. 마지막으로, 상단 및 하단 절반이 정확하게 정렬되고 고정된다.(도 20).
도 21 및 도 22는 Cold test 시험된 본 발명의 전자기파 상호작용 회로(sine-shape waveguide)와 기존 직사각형 도파관(simple rectangular waveguide)의 시뮬레이션 결과를 비교 도시한다. 표 1은 Cold 시험을 위해 제조 된 단순 직사각형 도파관 및 사 인형 도파관 회로의 측정 치수를 시뮬레이션 된 것과 비교 한 것이다
표 1은 시뮬레이션된 회로과 비교하여 제작된 회로의 치수 확인 결과를 보여주며, 0~1.6%의 제조 오차가 달성되었다. 가장 중요한 치수는 8 %의 오차를 갖는 릿지부의 진폭(도 2의 11)이다. 시뮬레이션 및 콜드 테스트 결과 비교는 도 21 및 도 22에 도시된다. 전송 손실 파라미터(s21)는 75 GHz에서 105 GHz에서 약 0.4dB이고 반사 파라미터(s11)는 기본적으로 -20dB 미만임을 알 수 있다. 또한, 단면과 길이가 동일한 직사각형 도파관의 테스트 결과는 전체 주파수 대역에서 전송 손실 파라미터(s21)이 약 0.4dB이고 반사 파라미터(s11)가 -30dB 미만임을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 전자기파 상호작용 회로가 더 우수함을 알 수 있다.
Figure 112019130898036-pat00005
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호작용 회로는 사인파 형상의 제1 릿지부를 구비하며 전자기파가 진행하는 통로인 도파관; 상기 도파관의 양측에 위치하여 상기 도파관과 연통하며 사인파 형상의 제2 릿지부를 구비하고 상기 전자기파가 진행하는 통로인 커플러부; 및 상기 도파관과 상기 커플러부를 길이 방향으로 관통하도록 위치하며 전자빔이 진행하는 통로인 전자빔 터널;을 포함하고, 상기 커플러부는 상기 도파관이 위치한 방향으로 두께가 감소하도록 테이퍼진 내주면을 구비하고, 상기 제2 릿지부는 상기 테이퍼진 내주면에 위치하며 상기 도파관이 위치한 방향과 반대 방향으로 갈수록 높이가 낮아질 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 제2 릿지부의 돌출 주기는 일정할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 제1 릿지부의 돌출 주기는 일정하고, 상기 제1 릿지부의 돌출 주기와 상기 제2 릿지부의 돌출 주기는 동일할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 커플러부의 일측에 연결되며 상기 커플러부의 길이 방향과 수직한 방향으로 길게 연장된 입력부; 및 상기 커플러부의 타측에 연결되며 상기 커플러부의 길이 방향과 수직한 방향으로 길게 연장된 출력부;를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 제1 릿지부는 상단 릿지부와 하단 릿지부를 포함하고, 상기 상단 릿지부의 마루와 상기 하단 릿지부의 골이 서로 중첩하고, 상기 상단 릿지부의 골과 상기 하단 릿지부의 마루가 중첩할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 상단 릿지부와 상기 하단 릿지부의 최단 거리와 상기 전자빔 터널의 두께의 길이간 차이는 상기 전자빔 터널의 두께의 길이의 절반보다 작을 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 상단 릿지부와 상기 하단 릿지부의 최단 거리는 상기 상단 릿지부 또는 상기 하단 릿지부 높이의 절반보다 작을 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 상단 릿지부와 상기 하단 릿지부의 최단 거리는 상기 상단 릿지부 또는 상기 하단 릿지부의 돌출 주기보다 작을 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 제1 릿지부는 복수의 릿지들을 포함하고, 상기 복수의 릿지들의 돌출 주기, 높이 및 폭은 일정할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 전자기파 발생 장치는 제1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 전자기파 상호작용 회로; 상기 전자빔 터널과 연결되며 상기 전자기파 상호작용 회로에 전자빔을 제공하는 전자총; 및 상기 전자기파 상호작용 회로로부터 배출된 전자빔을 수집하는 콜렉터;를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 전자기파 상호작용회로 110: 도파관
120: 커플러부 130: 전자빔 터널
300: 전자총 400: 콜렉터
500: 입력부 600: 출력부

Claims (10)

  1. 사인파 형상의 제1 릿지부를 구비하며 전자기파가 진행하는 통로인 도파관;
    상기 도파관의 양측에 위치하여 상기 도파관과 연통하며 사인파 형상의 제2 릿지부를 구비하고 상기 전자기파가 진행하는 통로인 커플러부; 및
    상기 도파관과 상기 커플러부를 길이 방향으로 관통하도록 위치하며 전자빔이 진행하는 통로인 전자빔 터널;을 포함하고,
    상기 커플러부는 상기 도파관이 위치한 방향으로 두께가 감소하도록 테이퍼진 내주면을 구비하고,
    상기 제2 릿지부는 상기 테이퍼진 내주면에 위치하며 상기 도파관이 위치한 방향과 반대 방향으로 갈수록 높이가 낮아지고,
    상기 커플러부의 일측에 연결되며 상기 커플러부의 길이 방향과 수직한 방향으로 길게 연장된 입력부; 및
    상기 커플러부의 타측에 연결되며 상기 커플러부의 길이 방향과 수직한 방향으로 길게 연장된 출력부;를 더 포함하고,
    상기 제1 릿지부는 복수의 릿지들을 포함하고, 상기 복수의 릿지들의 돌출 주기, 높이 및 폭은 일정하고,
    상기 커플러부는 상기 입력부 또는 상기 출력부의 개구부와 인접한 영역에서 평탄한 면을 가지고,
    상기 도파관은 상기 제1 릿지부가 형성된 중앙 영역의 좌우 영역에 구비되어 공명관 기능을 수행하는 공동 통로를 더 포함하고,
    상기 커플러부는 상기 제2 릿지부가 형성된 중앙 영역의 좌우 영역에 구비되어 공명관 기능을 수행하는 공동 통로를 더 포함하고,
    상기 전자빔 터널은 직사각형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호작용 회로.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제2 릿지부의 돌출 주기는 일정한 것을 특징으로 하는 사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호작용 회로.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 제1 릿지부의 돌출 주기는 일정하고, 상기 제1 릿지부의 돌출 주기와 상기 제2 릿지부의 돌출 주기는 동일한 것을 특징으로 하는 사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호작용 회로.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서, 상기 제1 릿지부는 상단 릿지부와 하단 릿지부를 포함하고,
    상기 상단 릿지부의 마루와 상기 하단 릿지부의 골이 서로 중첩하고, 상기 상단 릿지부의 골과 상기 하단 릿지부의 마루가 중첩하는 것을 특징으로 하는 사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호작용 회로.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 상단 릿지부와 상기 하단 릿지부의 최단 거리와 상기 전자빔 터널의 두께의 길이간 차이는 상기 전자빔 터널의 두께의 길이의 절반보다 작은 것을 특징으로 하는 사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호작용 회로.
  7. 제5 항에 있어서, 상기 상단 릿지부와 상기 하단 릿지부의 최단 거리는 상기 상단 릿지부 또는 상기 하단 릿지부 높이의 절반보다 작은 것을 특징으로 하는 사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호작용 회로.
  8. 제5 항에 있어서, 상기 상단 릿지부와 상기 하단 릿지부의 최단 거리는 상기 상단 릿지부 또는 상기 하단 릿지부의 돌출 주기보다 작은 것을 특징으로 하는 사인파 형상의 도파관을 이용한 전자기파 상호작용 회로.
  9. 삭제
  10. 제1 항 내지 제3항, 제5항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 전자기파 상호작용 회로;
    상기 전자빔 터널과 연결되며 상기 전자기파 상호작용 회로에 전자빔을 제공하는 전자총; 및
    상기 전자기파 상호작용 회로로부터 배출된 전자빔을 수집하는 콜렉터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 발생 장치.
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