5.1 마이크로파관의 원리

고체 소자 기술이 널리 보급되었음에도 불구하고, 특히 반도체 소자가 아직 경쟁력을 갖추지 못한 초고출력이 요구되는 응용 분야에서는 마이크로파 진공관이 여전히 필수적입니다. 고출력 레이더, 위성 통신 업링크, 입자 가속기와 같은 시스템은 킬로와트에서 메가와트 범위의 신호를 생성하고 증폭하는 마이크로파 진공관의 고유한 기능에 의존합니다. 이 모듈에서는 클리스트론, 진행파관, 마그네트론이라는 세 가지 주요 유형의 마이크로파 진공관의 작동 원리를 살펴봅니다.

2공진 클리스트론 증폭기

클리스트론은 마이크로파 증폭기 역할을 하는 선형 빔 튜브입니다. 클리스트론의 작동 원리는 연속적인 전자 빔의 운동 에너지를 마이크로파 에너지로 변환하는 것입니다.

• 필수 요소: 2중 공동 클리스트론은 다음과 같이 구성됩니다. 전자총 고속 전자빔을 생성하는 두 가지 공동 공진기 ("번처"와 "캐처"라는 이름으로 불리는) 필드 프리 표류 공간 공동 사이, 그리고 수집가 빔에 남아있는 에너지를 열로 방출하기 위해서입니다.
• 공동 공명기: 클리스트론을 이해하려면 먼저 공진기 공동에 대해 이해해야 합니다. 공동은 간단한 LC 공진 회로의 진화된 형태로 개념화할 수 있습니다. 병렬 LC 회로는 인덕턴스 L과 전하량 C가 작을 때 높은 공진 주파수를 갖습니다. 이 주파수를 더욱 높이려면 여러 개의 유도 루프를 병렬로 연결하여 인덕턴스를 줄일 수 있습니다. 이러한 과정을 통해 매우 높은 마이크로파 주파수에서 공진 전자기장을 유지할 수 있는 밀폐된 금속 상자, 즉 공동이 만들어집니다. 전기장과 자기장이 공동 내부에 갇히게 되어 효율적인 에너지 저장이 가능해집니다.
• 작동 원리 : 증폭 과정은 세 가지 단계로 진행됩니다.
  1. 속도 변조: 전자총에서 생성된 연속적인 전자빔은 먼저 번처 공동을 통과합니다. 약한 입력 RF 신호가 이 공동에 공급되어 공동의 간극에 진동하는 전기장을 생성합니다. 전자가 통과할 때 이 전기장은 전자를 번갈아 가속 및 감속시킵니다. 전자는 약간씩 다른 속도로 번처 공동을 빠져나가는데, 이 과정을 전자 회전이라고 합니다. 속도 변조.
  2. 전자 뭉침 현상: 속도 변조된 전자들은 이후 전자기장이 없는 표류 공간으로 진입합니다. 여기서 RF 사이클의 가속 단계에서 나온 빠른 전자들이 감속 단계에서 나온 느린 전자들을 따라잡기 시작합니다. 이로 인해 처음에는 균일했던 빔이 밀집된 패킷을 형성하게 됩니다. 다발 전자의.
  3. 에너지 추출: 드리프트 공간의 길이는 이러한 전자 뭉치가 두 번째 공동(캐처)의 갭에 도달하는 정확한 순간, 즉 해당 공동 내부의 전자기장이 최대 감속 위상에 도달하도록 설계되었습니다. 따라서 전자 뭉치는 강하게 감속되어 운동 에너지를 캐처 공동의 전자기장으로 전달합니다. 이로 인해 강력한 진동이 발생하고, 이 진동으로부터 크게 증폭된 출력 신호가 추출됩니다.

더 높은 이득을 얻기 위해 다중 공진 클리스트론이 사용됩니다. 여기서 중간 공진기는 번처와 캐처 사이에 배치되어 번칭 과정을 더욱 향상시키고 결과적으로 훨씬 더 큰 증폭을 가져옵니다.

이 장치는 증폭기 역할을 합니다. 이제 발진기로 작동하도록 특별히 설계된 변형 장치인 리플렉스 클리스트론을 살펴보겠습니다.

5.2 마이크로파 발진기: 반사형 클리스트론 및 마그네트론

2중 공진 클리스트론과 같은 증폭기는 기존 신호의 출력을 증폭하는 반면, 발진기는 직류 전원에서 마이크로파 신호를 생성 하도록 설계된 장치입니다 . 발진기는 송신기, 시험 장비 및 수신기 국부 발진기의 기본 구성 요소입니다. 이 섹션에서는 두 가지 주요 마이크로파 발진기인 저전력 가변형 소스인 리플렉스 클리스트론과 레이더 및 전자레인지에 사용되는 고출력 장치인 마그네트론에 대해 살펴보겠습니다.

리플렉스 클리스트론

리플렉스 클리스트론은 단일 공진기 마이크로파 발진기입니다. 핵심적인 혁신은 단일 공진기를 사용하여 번처와 캐처의 기능을 모두 수행함으로써 더욱 소형화되고 튜닝 가능한 장치를 구현했다는 점입니다.

• 구성: 이 장치는 전자총, 간극이 있는 단일 양극 공동 및 반발 전극 공동 너머에 배치됩니다. 반발체는 음극에 비해 높은 음전위를 유지합니다.
• 작업 : 전자빔은 양극 공동 갭을 통과하면서 가속되고, 초기 속도 변조를 겪습니다. 갭을 통과한 후, 빔은 음극 반발 전극을 향해 이동합니다. 강한 음의 전자기장은 전자를 감속시키고 정지시킨 다음, 다시 양극 공동 쪽으로 가속시킵니다. 이러한 "반사" 과정 동안 전자들이 뭉치는 현상이 발생합니다. 기준 전자(e_r)는 RF 전자기장이 0일 때 통과합니다. 먼저 도착한 전자(e_e)는 감속되어 반발 전극 공간에서 더 오랜 시간을 보냅니다. 늦게 도착한 전자(e_l)는 가속되어 더 짧은 시간 동안 머무릅니다. 반발 전극의 전압을 조절하여 세 전자가 정확히 같은 시간에 공동 갭에 도달하도록 하여 밀집된 전자 뭉치를 형성합니다. 이 전자 뭉치가 공동 전자기장이 최대 감속 효과를 나타낼 때 도달하면, 공동에 에너지를 전달하여 진동을 유지합니다.
• 진동 조건: 반발 공간에서 전자의 이동 시간(T)은 지속적인 진동을 위해 최적화되어야 합니다. 이 조건은 T = n + \frac{3}{4}로 주어지며, 여기서 'n'은 정수입니다.
• 어플리케이션 : 조정 가능성과 낮은 전력 출력 덕분에 리플렉스 클리스트론은 마이크로파 수신기의 국부 발진기 및 마이크로파 테스트 장비의 신호 소스로 널리 사용됩니다.

캐비티 마그네트론

캐비티 마그네트론은 고출력 마이크로파 발진기이며, 정적 전기장(E)과 정적 자기장(B)이 서로 수직인 교차 자기장 튜브 의 일종입니다.

• 물리적 구조: 이는 중앙에 지름이 큰 원통형 구조로 이루어져 있습니다. 음극 원형으로 둘러싸여 양극 블록양극에는 중앙 상호작용 공간으로 열리는 여러 개의 공진 공동이 가공되어 있습니다. 강하고 일정한 자기장이 음극의 축과 평행하게 가해집니다.
• 정적 자기장 하에서의 작동: 양극에서 음극으로 향하는 방사형 전기장과 축 방향 자기장이 작용합니다. B=0일 때, 전자는 양극으로 직선으로 이동합니다. B가 증가함에 따라 전자의 경로는 곡선을 그리며 이동합니다. 임계 자기장 (B_c)이면 양극에 아주 살짝 닿을 뿐입니다. 만약 B > B_c이면 음극으로 되돌아가 "역열"이 발생합니다.
• 활성 RF 필드를 이용한 작동: 공동 내에 RF 진동이 발생하면 상황은 역동적으로 변합니다. “선호되는” 전자 RF 자기장에 의해 속도가 느려지고, 운동 에너지를 방출하여 진동을 유지하며, 양극 쪽으로 이동합니다. “선호되지 않는” 전자 전자들은 자기장에 의해 가속되고, 자기장으로부터 에너지를 흡수한 후 빠르게 음극으로 되돌아갑니다. 이러한 상호작용의 결과로 다음과 같은 현상이 발생합니다. "위상 집중 효과" 여기서 우선적으로 선택된 전자들은 모여서 회전하는 전하 덩어리를 형성하고, 이 덩어리는 공동 내부의 회전하는 전자기장과 동기화되어 이동합니다. 이 회전하는 덩어리들은 공동 입구를 지속적으로 지나가면서 강한 전류를 유도하고 고출력 마이크로파 진동을 유지합니다.

다음 섹션에서는 공진 공동을 사용하지 않고 광대역 증폭을 구현하는 장치인 진행파관(Travelling Wave Tube)을 소개합니다.

5.3 진행파관(TWT)

진행파관(TWT)은 클리스트론과 같은 공진 공동 장치의 주요 한계점인 좁은 대역폭을 극복하기 위해 개발되었습니다. TWT는 매우 넓은 주파수 범위에서 높은 이득을 제공할 수 있는 선형 빔 증폭기로, 현대 광대역 통신 시스템과 전자전에서 중요한 구성 요소입니다.

• 구성: TWT는 다음으로 구성됩니다. 전자총 집중된 전자빔을 생성하는 장치, 양극판 빔을 가속하기 위해, 반대쪽 끝에 있는 수집기, 그리고 무엇보다 중요한 것은 서파구조가장 일반적인 저속파 구조는 전도성 구조입니다. 나선RF 입력 신호는 나선 구조의 한쪽 끝에 공급되고, 증폭된 출력은 다른 쪽 끝에서 얻어집니다.
• 작동 원리: 전자빔과 RF파를 상호작용시키는 데 있어 핵심적인 난제는 두 파동의 속도 불일치입니다. 나선형 구조는 이 문제를 해결합니다. 파동은 나선형 와이어를 따라 거의 빛의 속도로 이동하지만, 튜브 축을 따라서는 유효 전진 속도가 크게 감소합니다. 나선형 구조의 피치는 이 축 방향 파동 속도가 전자빔 속도보다 약간 느리도록 설계되었습니다. 이러한 속도 동기화 덕분에 연속적인 상호작용이 가능합니다. 전자빔이 축을 따라 이동함에 따라, 파동의 전기장의 축 방향 성분은 속도 변조와 뭉침 현상을 일으킵니다. 이러한 전자 뭉침은 전기장의 감속 영역에서 형성되어 나선형 구조에서 RF파에 운동 에너지를 지속적으로 전달합니다. 이러한 에너지 전달이 튜브 전체 길이에 걸쳐 일어나기 때문에 RF파는 기하급수적으로 증가하여 매우 높은 이득을 얻게 됩니다.
• 어플리케이션 : TWT는 높은 이득과 넓은 대역폭을 결합하여 마이크로파 수신기의 저잡음 RF 증폭기, 통신 링크의 중계기 증폭기, 통신 위성의 전력 출력 튜브를 포함한 다양한 응용 분야에 이상적입니다.

마이크로파를 생성하고 증폭하는 장치들을 살펴본 후, 마지막 모듈에서는 이러한 구성 요소와 이들이 구성하는 시스템의 성능을 측정하고 특성화하는 데 필요한 필수적인 실무 기술을 다룰 것입니다.