진공관 초고주파 신호 발생기 , 오실레이터 (GHz THz Signal Generation , oscillator)

가정	소자 전기 전자 계측, 측정 First Harmonics, Second Harmonics, Delta 초고주파 시스템
요약
응용	고체 초고주파 신호 발생기 , 오실레이터 (GHz THz Signal Generation , oscillator) Oscillator : 발진기 성능 향상법 (N-push , Frequency multiplier , power combining , beamforming

↑파란 박스의 글자를 클릭하시면 가정과 응용으로 넘어 가실 수 있습니다!!

 

초고주파를 낼 수 있는 신호 발생기는 크게 진공관에서 전자의 이동을 이용하는 것과 Diode나 Transistor를 이용하는 방법이 있습니다.

사실 이 신호 발생기의 핵심은 자연에 존재하는 작은 초고주파 신호를 증폭시켜 우리가 사용할수 있는 전기신호로 쓰는 것이라 볼 수 있습니다. 

 

본 포스팅에서는 진공관을 이용한 방법을 볼 건데요, Vacuum Electron Device(VED)라 불리며 Klystron, Traveling Wave Tube(TWT), Backward Wave Oscillator(BWO), Gyrotron, Free electron Laser(FEL), Magnetron이 있습니다.

각각은 생각보다 많이 겹치는 내용이 많아 그림으로 포스팅 하겠습니다. 

전자를 이용하는 고체기반은 고체 초고주파 신호 발생기 , 오실레이터 (GHz THz Signal Generation , oscillator)포스팅을 이용해주시길 바랍니다.

 

진공관은 convection current를 이용하는데 이는 아무것도 없는 공간에서 전자가 흐르는 것을 의미합니다.(비슷한 예로 conduction current는 전자가 고체를 타고 흐르는 것 입니다.)

VED는 전기장과 자기장으로 구현하는데, E-field와 M-field가 평행한 경우 O-type device라 하며, E-field와 M-field가 수직한 경우 M-type이라 합니다.

 

Klystron

Klystron을 먼저 보겠습니다.

위에의한 설명은 Klystron의 가장 기본형이며, 이를 응용하여 Cavity가 여러개인 Multi-cavity klystrons가 있고, Reflex klystron, Extend interaction klystron(EIK)와 같은 여러 형태가 있습니다.

가장 기본형은 100GHz기준 40dBm을 가지고 있는 큰 증폭률을 가지고 있습니다.

 

TWT

다음은 Traveling Wave Tube(TWT)입니다. 이도 Klystron과 같이 Bunching을 이용하며

이는 helix의 dispersion(속도가 주파수에 따라 변화하는 정도)이 낮기 때문에 wideband이며, 600GHz까지 가능하고 100GHz에서 100W의 성능을 보입니다.

BWO

TWT와 비슷한 Backward wave oscillator(BWO)도 있는데 이는 위 두개처럼 작은 RF를 증폭하는 것이아닌, Oscillator입니다. 다시말해 input이 없습니다.

정리하자면 noise가 들어와서 electron beam하고 phase velocity가 같아지는 주파수에서 group velocity는 반대로 이동하여 왔다갔다하며 해당 주파수가 점차 증폭이 되는 것입니다.

신호원이 noise이기 때문에 더 높은 주파수를 얻을 수 있고, 수식적으로는 1THz에서 1W 30dBm입니다.

이를 변형시킨것으로 clinotron과 Orotron이 있습니다.

 

Gyrotron

또한 Gyrotron이 있습니다. 이는 특이하게 상대성이론으로 무게의 변화를 이용해 Bunch를 만들어 냅니다.

주요한 원리는 코일에 의해 빠르게 가속된 전자가 높은 주파수의 파를 방출합니다. 이는 1THz에서 1MW로 60dBm입니다.

 

다음은 FEL로 Free Electron Laser입니다, 말 그대로 Laser로 엄청나게 가속된 전자가 방출되어 자기장으로 winggling하며 이 파들이 mirror에 여러번 왔다갔다해서 큰 파워를 얻는 장비 입니다,

이는 거대한 장비로.  100GHz~100THz를 안정적으로 냅니다.

 

Magnetron

마지막으로 Magnetron으로 세계대전에 정말 많이 사용되던 장치 입니다.

이는 M-type으로 지금까지 다루었던 O-type과 다른 형태입니다. 이는 100GHz에서 10KW가 발생합니다. 이는 주변에서 자주 보이는 전자레인지에 사용되는 신호발생기 입니다.