KR20010038950A

KR20010038950A - 마그네트론의 노이즈 제거용 필터 및 노이즈 제거방법

Info

Publication number: KR20010038950A
Application number: KR1019990047141A
Authority: KR
Inventors: 박병욱; 권경안; 이중근
Original assignee: 구자홍; 엘지전자 주식회사
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2001-05-15
Also published as: CN1296281A; KR100339568B1; CN1150586C; DE60032855D1; DE60032855T2; JP2001143627A; EP1096538B1; US6404301B1; EP1096538A1

Abstract

본 발명은 마그네트론의 노이즈 제거용 필터 및 노이즈 제거방법에 관한 것으로, 종래의 쵸크코일과 관통형 콘덴서로 이루어진 저역통과필터를 구성하여 노이즈를 제거하고 있으나 100MHz 이하 대역과 500MHz, 700-800MHz 대역에 나타나는 노이즈를 효과적으로 제거할 수 없는 문제점이 있고, 이와같은 문제점을 해결하기 위하여 마그네트론 외부에 별도의 쵸크코일을 부가하여 2단 필터를 사용하는데 이 경우도 노이즈를 완전하게 제거하지 못할 뿐만아니라 재료비가 상승하는 원인이 되는 문제점이 있었다. 따라서 본 발명은 전송라인 모델의 해석을 통해 수백 MHz 이상 대역에서 주파수의 제2공진점과 제3공진점을 구하는 제1단계와, 상기에서 구한 공진점을 갖는 공진주파수의 감쇄비를 향상시키기 위한 쵸크코일의 구리선 길이를 설정하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 구한 구리선 길이로 페라이트에 서로 밀착되도록 밀형 권선을 수행하는 제3단계와, 상기 전송라인 모델을 이용하여 마그네트론 내부로 부터 반사되는 발진주파수(2.45GHz)에 대한 공진점을 구하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 구한 공진점을 갖도록 구리선 길이를 설정하고, 이 설정한 길이로 소정의 간격을 갖고 소형 권선을 수행하는 제5단계와, 상기 제4단계와 제5단계에서의 밀형 권선과 소형 권선을 관통형 콘덴서의 단자와 마그네트론의 음극단자에 연결하여 100MHz 이하 대역 뿐만아니라 수백 MHz 이상의 대역에서 발생하는 노이즈를 제거하는 제6단계로 동작하여 광대역에 대한 노이즈를 제거할 수 있도록 한 효과가 있다.

Description

마그네트론의 노이즈 제거용 필터 및 노이즈 제거방법{FILTER AND METHOD FOR REMOVING NOISE OF A MAGNETRON}

본 발명은 가정용 전자레인지 등에 이용되는 마그네트론 내부의 작용공간에서 직류 자계 강도의 차이 및 완전 진공의 부족으로 인한 잔류 가스의 존재때문에 음극에서 발생한 전자가 주회 운동을 할때 충돌에 의한 진동현상을 일으켜 발생하는 노이즈를 제거하기 위한 마그네트론의 노이즈 제거용 필터 및 노이즈 제거방법에 관한 것으로, 특히 수백 MHz 주파수 대역에서 방사되는 노이즈를 제거할 수 있도록 한 마그네트론의 노이즈 제거용 필터 및 노이즈 제거방법에 관한 것이다.

도 1은 종래 마그네트론의 노이즈 제거용 필터구조도로서, 이에 도시된 바와 같이, 마그네트론의 입력부를 복개하도록 마그네트론의 일측에 결합되는 실드 박스(shield box: 10)와, 상기 마그네트론의 입력부에 위치하도록 실드 박스(10)에 결합되는 관통형 콘덴서(20)와, 상기 관통형 콘덴서(20)의 단자와 마그네트론의 음극 단자(30)를 각각 연결하는 쵸크 코일(40)과, 상기 쵸크 코일(40)내에 위치하는 페라이트 봉(50)으로 구성된다.

상기 쵸크 코일은 음극 단자와 연결되는 제1 단자부에 이어 소정의 길이로 절곡된 제1 절곡부가 형성되고, 상기 제1 절곡부에 이어 일정 직경을 갖도록 다수회 권선된 권선부가 형성되며, 상기 권선부에 이어 소정의 길이로 절곡된 제2 절곡부가 형성되고, 상기 제2 절곡부에 이어 상기 콘덴서의 단자와 연결되는 제2 단자부가 형성되어 이루어지며, 상기 권선부는 1회 권선된 턴부가 서로 밀착된 상태로 형성된다. 또한 상기 쵸크 코일은 소정의 인덕턴스 값으로서 관리된다.

이와같이 구성된 종래기술에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

일반적으로 마그네트론(Magnetron)은 인가되는 전원에 의해 음극단자의 필라멘트(FLAMENT)가 가열되면서 열전자를 방출하게 되면 내부에 결합된 마그네트(MAGNET)에 의해 형성된 자계와 상기 자계와 수직으로 전계가 형성된 작용공간에서 열전자가 주회 운동하면서 초단파가 발진되고, 이는 안테나를 통해 외부로 방출된다.

이와같은 발진동작을 행할 때, 마그네트론 내부의 작용공간에서 직류 자계 강도의 차이, 그리고 완전 진공의 부족으로 인한 잔류 가스 때문에 음극에서 발생한 전자가 회전 운동을 할 때 충돌에 의한 진동 현상을 일으켜 이것이 노이즈를 발생시키게 된다.

이 잡음은 수십 MHz부터 수 GHz 까지 광범위한 범위로 나타난다.

이렇게 나타나는 잡음을 제거하기 위하여, 도 1에 도시된 바와같은, 필터를 구성한다.

즉, 마그네트론의 입력부에 실드 박스(10)가 연결되고, 이 실드 박스(10)에는 관통형 콘덴서(20)를 결합시킨다.

그리고 상기 관통형 콘덴서(20)의 단자와 마그네트론의 음극 단자(30)에 구리선으로 이루어진 쵸크 코일(40)을 페라이트 봉(50)에 서로 밀착된 상태로 권선(밀권선)한다.

이렇게 서로 밀착된 상태로 페라이트 봉(50)에 권선되는 쵸크코일(40)은 음극 단자(30)와 연결되는 제1 단자부에 이어 소정의 길이로 절곡된 제1 절곡부가 형성되고, 상기 제1 절곡부에 이어 일정 직경을 갖도록 다수회 권선된 권선부가 형성되며, 상기 권선부에 이어 소정의 길이로 절곡된 제2 절곡부가 형성되고, 상기 제2 절곡부에 이어 상기 콘덴서의 단자와 연결되는 제2 단자부가 형성되어 이루어진다.

상기한 바와 같은 필터 구조의 등가회로는, 도 2에 도시한 바와 같이, 코일 성분(L_L)과 코일권선간의 콘덴서 성분(C_L), 그리고 손실을 나타내는 저항 성분(R_L)으로 구성하여 감쇄비 특성을 예측하고 측정하게 되는데, 이는 저역통과필터와 같은 회로가 된다.

상기에서와 같은 구성으로 측정한 감쇄비 특성은, 도 3에 도시된 바와같다.

즉, 300MHz대에서 공진대역(공진점)이 나타나고, 또한 수백 MHz 이상이 되면 다시 공진대역(점선으로 표시된 원 표기부분)이 나타난다.

그러나 등가회로에 의한 방법은 수백 MHz 이상 대역의 공진점을 해석할 수 없기 때문에, 수백 MHz 이상의 대역에 대한 예측이 불가능하고, 효과적으로 대응을 할 수 없었다.

그리고, 도 4에서 마그네트론의 방사 노이즈를 측정한 특성을 살펴보면, 100MHz 이하, 500MHz대, 700-800MHz 대역에서 EMI 방사 규격을 초과하는 노이즈가 나타난다.

상기에서 제거하지 못하는 노이즈를 제거하기 위하여, 저역통과필터 이외에 별도의 쵸크코일을 마그네트론의 입력단에 부착하여 2단 필터를 구성하였다.

이렇게 2단 필터를 사용하여 노이즈를 제거하였다.

그러나, 상기에서와 같은 종래의 기술에 있어서, 쵸크코일과 관통형 콘덴서로 이루어진 저역통과필터를 사용할 경우 100MHz 이하 대역과 500MHz, 700-800MHz 대역에 나타나는 노이즈를 제거할 수 없는 문제점이 있고, 이와같은 문제점을 해결하기 위하여 2단 필터를 사용하는데 이 경우 노이즈를 완전하게 제거하지 못할 뿐만아니라 재료비가 상승하는 원인이 되는 문제점이 있었다.

따라서, 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 수백 MHz 이상 대역의 특성도 예측할 수 있어서, 그 대역의 노이즈도 제거할 수 있도록 한 마그네트론의 노이즈 제거용 필터 및 필터 형성방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 측정 전대역중 규격을 초과하는 문제대역에 대하여 공진점을 형성하여 쵸크코일의 감쇄비를 향상시킬 수 있도록 한 마그네트론의 노이즈 제거용 필터 및 필터 형성방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 음극단자에서 발생되는 기본파 성분인 2.45GHz 대역의 공진점을 갖도록 쵸크코일의 구리선을 설정하고, 이를 소정의 간격을 갖고 권선하도록 함으로써, 온도소손 문제를 해결하도록 한 마그네트론의 노이즈 제거용 필터 및 필터 형성방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래 마그네트론의 노이즈 제거용 필터 구조도.

도 2는 도 1에서, 쵸크코일과 관통형 콘덴서에 의한 노이즈 제거용 필터의 등가회로도.

도 3은 도 1에서, 쵸크코일의 감쇄비 특성도.

도 4는 마그네트론에서 발생하는 EMI 노이즈의 특성도.

도 5는 본 발명 마그네트론의 노이즈 제거용 필터 구조도.

도 6은 도 5에서, 쵸크코일의 감쇄비 특성도.

도 7은 도 5에서, 각 대역별 감쇄비 특성 해설 모델 설명도.

도 8은 본 발명 마그네트론의 노이즈 제거용 필터를 거쳐 노이즈가 제거된 EMI 노이즈 특성도.

도 9는 본 발명 전송라인 모델에 의한 쵸크코일의 구리선 길이와 공진주파수의 관계 도표.

***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *****

100 : 실드 박스 200 : 관통형 콘덴서

300 : 음극단자 400 : 밀형 권선부

500 : 소형 권선부 600 : 페라이트

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 마그네트론의 입력측에 결합되는 실드 박스와, 상기 실드 박스에 설치되는 관통형 콘덴서와, 소정의 직경으로 권선된 다수개의 턴부가 서로 밀착되도록 형성된 밀형 권선부 및 소정의 직경으로 권선된 다수개의 턴부가 서로 간격을 두고 형성된 소형 권선부가 구비되어 상기 마그네트론의 음극단자와 관통형 콘덴서의 단자를 연결하는 복합형 쵸크 코일과, 상기 밀형 권선부내에 위치하는 소정의 직경을 갖는 페라이트를 포함한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명 마그네트론의 쵸크코일 형성방법은, 마그네트론 동작시 노이즈 저감을 위해 마그네트론 음극단자와 관통형 콘덴서에 연결되는 쵸크코일을 보유하는 마그네트론에 있어서, 전송라인 모델의 해석을 통해 수백 MHz 이상 대역에서 주파수의 제2공진점과 제3공진점을 구하는 제1단계와, 상기에서 구한 공진점을 갖는 공진주파수의 감쇄비를 향상시키기 위한 쵸크코일의 구리선 길이를 설정하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 구한 구리선 길이로 페라이트에 서로 밀착되도록 밀형 권선을 수행하는 제3단계와, 상기 전송라인 모델을 이용하여 마그네트론 내부로 부터 반사되는 발진주파수(2.45GHz)에 대한 공진점을 구하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 구한 공진점을 갖도록 구리선 길이를 설정하고, 이 설정한 길이로 소정의 간격을 갖고 소형 권선을 수행하는 제5단계와, 상기 제4단계와 제5단계에서의 밀형 권선과 소형 권선을 관통형 콘덴서의 단자와 마그네트론의 음극단자에 연결하여 수백 MHz 이상의 대역에서 발생하는 노이즈를 제거하는 제6단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이와같은 단계로 이루어진 방법을 수행하기 위한 마그네트론의 노이즈 제거용 필터 구조는, 도 5에 도시된 바와같이, 마그네트론의 입력측에 결합되는 실드 박스(100)와, 상기 실드 박스(100)에 설치되는 관통형 콘덴서(200)와, 소정의 직경으로 권선된 다수개의 턴부가 서로 밀착되도록 형성된 밀형 권선부(400) 및 소정의 직경으로 권선된 다수개의 턴부가 서로 간격을 두고 형성된 소형 권선부(500)가 구비되어 상기 마그네트론의 음극단자와 콘덴서의 단자를 연결하는 복합형 쵸크 코일과, 상기 밀형 권선부내에 위치하는 소정의 직경을 갖는 페라이트(600)로 구성한다.

이와같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

코일에 감긴 구리선의 길이가 측정 주파수대의 파장에 비교하여 작을 경우 도 2에 도시한 저역통과필터의 등가회로에 의해 해석이 가능하지만, 반대로 커질 경우는 동일 구리선 내에서 신호의 위상이 서로 다르므로 더 이상 해석 할 수 없게 된다.

따라서 상기에서와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도 7b에 도시한 전송 라인(transmission line) 모델으로 대치하여 쵸크코일을 해석한다.

결국, 전체적으로 쵸크코일의 해석은 주파수가 낮은 대역(도 6에서 대역1)까지는 도 7a에 도시한 종래의 저역통과필터 등가회로로 해석하고, 그 이상의 대역(도 6에서 대역2, 대역3)은 전송라인 모델로 해석하여, 실제의 측정결과에 대해서 수 GHz 이상의 부분까지 예측 가능하다.

즉, 주파수에 대한 구분은 구리선의 길이가 파장의 1/4 이하를 종래방법(저역통과필터 등가회로)으로, 이상은 전송라인 모델로 해석한다.

그러면 전송라인 모델에 대하여 도 7b에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.

우선 측정을 위해 쵸크코일을 네트워크 아날라이저에 연결하고, 신호를 입력하면, 그 입력된 신호는 마그네트론의 음극부로 부터 쵸크코일에 도달하여(a점) 임피던스가 다른 상태로 되어 일부는 반사하고, 일부로 그대로 진행한다.

그리고 코일내로 진행한 신호는 다시 코일의 끝단(b점)에서 다시 임피던스가 다른 상태를 만나 반사와 진행이 이루어진다.

상기 b점에서 반사된 신호는 a점에서 반사된 신호와 중첩된다.

이때 중첩의 조건이 최대가 되면 가장 적은 에너지가 b점으로 전달되는 조건이 되고, 이것은 a점에서의 반사와 b점에서의 반사가 a점에서 동상으로 중첩이 되므로써 달성할 수 있다.

이와같은 신호에 대해서 각 임피던스 변화점 a,b에서의 반사계수는 다음과 같은 수학식으로 정의된다.

,,

상기 수학식1에서, b점에서의 반사파는 위상이 180도 역상이 되어 나온다는 의미로 해석할 수 있고, λ/2 더 진행했다고 할 수도 있다.

결국, a점에서 반사파와 동상을 이루기 위해서는 코일을 진행하는 신호가 반사되는 180도 위상차와 a점에서 b점을 거쳐 다시 a로 갈 때까지의 위상이 180도를 진행하면 되므로 코일에서의 신호의 거리가 λ/4 즉 90도 위상차를 갖으면 된다.

따라서 전송라인의 전기적 길이는

가 되고, 이 식에서 n=1,2의 경우는 고주파에서의 공진점임을 알 수 있다.

이때 신호의 진행은 자유공간이 아닌 구리선을 진행하므로 실제의 물리적 길이는 다음 수학식에 의해 결정된다.

k는 상수, VF는 속도계수

따라서 쵸크코일의 물리적 길이와 주파수에 대한 관계는 비례상수 k*VF를 결정하면 성립되고, 결국 원하는 주파수에 대한 공진점은 상기의 해석을 통해 결정되는 코일의 구리선 길이로 달성할 수 있음을 알 수 있다.

상기 비례상수 k*VF를 결정하기 위해 구리선 길이에 대한 공진점을 측정하면, 길이의 증가에 대해서 공진점이 저주파쪽으로 이동하는 현상을 관찰 할 수 있고, 이 결과를 이용하여 정리하면, 구리선 길이와 비례상수 k*VF의 관계를 아래의 수학식으로 표현할 수 있다.

제2공진점

제3공진점 :

여기서,

따라서 도 6에는 도 7b에 도시한 전송라인 모델에 의한 500MHz 대역의 제2공진점(대역1)와 800MHz 대역의 제3공진점(대역2)이 각각 나타난다.

그러므로 쵸크코일의 구리선 길이는 수학식3을 이용하여 구하고, 이렇게 구한 구리선 길이로, 도 5에 도시한, 페라이트(600)에 서로 밀착하도록 밀형 권선을 행하여 밀형 권선부(400)를 형성한다.

이렇게 페라이트(600)에 구리선으로 서로 밀착하도록 권선한 밀형 권선부(400)를 갖는 쵸크코일을 실드 박스(100) 안에 설치하고자 할 경우, 2가지의 중요한 요소를 만족시켜야 한다.

첫째는 쵸크코일 설치시 상,하,좌,우로 최소 15.5mm 이상의 안전거리를 확보하여야 한다.

따라서 상기에서와 같은 조건을 만족시키기 위하여 페라이트(600)의 직경(ψ)을 5.6 ~ 6.0으로 하여 밀형 권선부(400)의 직경을 상승시키므로써, 안전거리를 확보 할 수 있다.

두번째는 온도소손 문제를 해결하여야 한다.

상기 온도소손 문제는 ①마그네트론의 음극으로 부터 전도된 온도와, ②코일 임피던스에 의한 온도상승과, ③마그네트론 내부로 부터 반사되는 발진주파수 성분(2.45GHz)이 원인이 되고 있다.

상기에서 ①②는 종래와 비슷하므로, ③의 원인만을 제거하면 된다.

이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 앞에서 설명한 전송라인 모델을 이용하여 마그네트론 내부로 부터 반사되는 기본 마그네트론 기본파 성분인 발진주파수 2.45GHz 대역(도 6에서 대역3)에 대한 공진점을 구하고, 이 공진점을 갖는 공진주파수의 감쇄비를 향상시키기 위한 구리선 길이를 설정한다.

이렇게 구한 설정한 구리선 길이로, 도 5에 도시한, 소정의 직경과 소정의 간격을 갖고 권선을 행하여 소형 권선부(500)을 형성한다.

여기서 소형 권선을 수행할 때 소정의 직경은 페라이트(600)의 직경과 동일하다.

상기에서와 같이 소정의 간격을 갖고 소형 권선부(500)를 형성하여, 마그네트론의 발진주파수 성분을 반사시켜 온도소손 문제를 해결한다.

결국 쵸크코일은 수백 MHz 이상 대역의 EMI 노이즈를 제거하기 위하여 서로 밀착되게 권선된 밀형 권선부(400)와 마그네트론의 기본주파수 성분인 2.45GHz 대역의 노이즈를 제거하기 위하여 소정의 간격을 갖고 권선된 소형 권선부(500)로 이루어진 복합형 쵸크코일이다.

다시말하면, 복합형 쵸크코일은 종래의 2단 필터 이상의 특성을 갖는다.

이렇게 하여 설계된, 도 5에 도시한 바와같은, 노이즈 제거용 필터를 마그네트론의 입력부에 설치하여 적용한 결과, 도 8에 도시한 바와같이 측정 전대역에 걸쳐 EMI 노이즈가 제거된 만족스런 특성을 확보하였다.

그리고, 본 발명에서 전송라인 모델을 이용하여 구한 수학식3에서와 같이 구한 제2공진점과 제3공진점을 적용하여 구한 쵸크코일의 구리선 길이와 공진주파수의 관계를 실험하여 얻은 결과를 도 9의 도표에 나타낸 바와같이 만족스런 결과가 나타났다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은 수백 MHz 이상 대역의 주파수의 공진점을 전송라인모델에 의한 해석으로 구하고, 이렇게 구한 공진점을 갖는 공진주파수의 감쇄비를 향상시키기 위한 구리선 길이를 설정하여 밀형 권선을 행하여 수백 MHz 이상 대역에서 발생하는 EMI 노이즈를 제거하고, 또한 마그네트론의 기본 발진주파수 2.45GHz 대역에 대한 공진점을 구하고, 이 공진점을 갖는 공진주파수의 감쇄비를 향상시키기 위한 구리선 길이를 설정하여 소정의 간격을 갖는 소형 권선을 행하여 온도 소손 문제를 해결하도록 함으로써, 광대역 특성을 갖도록 한 효과가 있다.

Claims

마그네트론의 입력측에 결합되는 실드 박스와, 상기 실드 박스에 설치되는 콘덴서와, 소정의 직경으로 권선된 다수개의 턴부가 서로 밀착되도록 형성된 밀형 권선부 및 소정의 직경으로 권선된 다수개의 턴부가 서로 간격을 두고 형성된 소형 권선부가 구비되어 상기 마그네트론의 음극단자와 콘덴서의 단자를 연결하는 복합형 쵸크 코일과, 상기 밀형 권성부내에 위치하는 소정의 직경을 갖는 페라이트를 포함한 것을 특징으로 하는 마그네트론의 노이즈 제거용 필터.
제1항에 있어서, 소형 권선부는 마그네트론의 기본파 성분인 2.45Hz 대역에 공진점을 갖도록 형성한 것을 특징으로 하는 마그네트론의 노이즈 제거용 필터.
마그네트론 동작시 노이즈 저감을 위해 마그네트론 음극단자와 관통형 콘덴서에 연결되는 쵸크코일을 보유하는 마그네트론에 있어서, 전송라인 모델의 해석을 통해 수백 MHz 이상 대역에서 주파수의 제2공진점과 제3공진점을 구하는 제1단계와, 상기에서 구한 공진점을 갖는 공진주파수의 감쇄비를 향상시키기 위한 쵸크코일의 구리선 길이를 설정하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 구한 구리선 길이로 페라이트에 서로 밀착되도록 밀형 권선을 수행하는 제3단계와, 상기 전송라인 모델을 이용하여 마그네트론 내부로 부터 반사되는 발진주파수(2.45GHz)에 대한 공진점을 구하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 구한 공진점을 갖도록 구리선 길이를 설정하고, 이 설정한 길이로 소정의 간격을 갖고 소형 권선을 수행하는 제5단계와, 상기 제4단계와 제5단계에서의 밀형 권선과 소형 권선을 관통형 콘덴서의 단자와 마그네트론의 음극단자에 연결하여 수백 MHz 이상의 대역에서 발생하는 노이즈를 제거하는 제6단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 마그네트론의 노이즈 제거방법.
제3항에 있어서, 쵸크코일의 구리선 길이와 공진점은 아래에서와 같은 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 노이즈 제거방법.

제2공진점 :

제3공진점 :

단
제3항에 있어서, 밀형 권선시 직경을 상승시켜 권선토록 한 것을 특징으로 하는 마그네트론의 노이즈 제거방법.
제3항에 있어서, 소형 권선시 밀형 권선시와 동일 직경으로 권선하도록 한 것을 특징으로 하는 마그네트론의 노이즈 제거방법.