일반기술

진공관과 반도체 스위칭 소자의 cascode 방식 회로를 이용한 대출력 펄스 RF 전력 발생 장치

1. 기술의 개요진공관과 반도체 스위칭 소자를 cascade 방식으로 직렬 연결하고 반도체 스위칭 소자에 소출력의 RF 전력을 인가함으로써 RF 증폭 효율을 극대화하여 대출력의 펄스 RF 전력을 발생시킬 수 있는 회로 구성 및 장치이며, 위의 그림에서 보이듯이 발생장치의 원리는 다음과 같다. 즉, 진공관의 음극부와 반도체 스위칭 소자의 drain (MOSFET의 경우) 또는 collector (BJT, IGBT의 경우)부를 연결하고 반도체 소자의 source(또는 emitter)부를 접지한다. 진공관의 양극부에는 고전압 직류전원 입력부을 통하여 고전압이 인가된다. 고전압 직류전원 입력부는, 대개의 경우 고주파 RF choke 및 고전압 bypass capacitor로 이루어진다. 입력되는 소출력 펄스 RF 전력은 반도체 소자의 gate(또는 base)부를 구동하여 입력 RF 주파수로 반도체 소자를 on-off 시킨다. 반도체 소자가 on 되어있을 때에는 진공관의 음극부가 반도체 소자를 통하여 접지되는 상태로 되어 진공관의 양극(anode)부와 접지 사이의 전류가 흐르므로 진공관이 on 상태로 된다. 반도체 소자가 off 되어 있을 때에는 진공관의 음극부에서 방출되는 전자의 흐름으로 인하여 음극부의 전위가 진공관의 G1(control grid)에 비해 높아지게 되므로 자동적으로 진공관의 양극부와 음극부의 전류흐름이 멈추게 되어 진공관이 off 된다. 이와 같은 방법으로 진공관의 양극부와 음극부의 전류를 on-off 하게 되고, 이는 진공관 출력회로와 정합회로를 거쳐서 대출력 RF 전력화하게 된다. 대출력 펄스 RF 전력 발생장치의 특징은 다음과 같다. 즉, 진공관과 직렬 cascade 회로로 연결된 반도체 스위칭 소자의 gate 또는 base 부에 인가되는 소출력의 펄스 RF 입력 전력은, 종래의 진공관 회로에서와 같이 진공관을 직접 구동하지 않고 단지 반도체 소자를 on 또는 off 시키는데 이용되며, 이에 따라 진공관이 on 또는 off 되는데 있다. 출력되는 RF 전력의 크기는 진공관의 보조극(control grid 또는 screen grid)에 인가되는 직류 전압을 변화시킴으로써 이루어질 수 있으며, 이는 입력 RF와 독립적으로 출력을 제어할 수 있음을 의미한다. 따라서, 평균 RF 출력전력은 낮으면서 순간적으로 높은 대출력 펄스 RF 전력장치에 최적인 회로라 할 수 있다.2. 기술의 특징현재 이용하고 있는 대부분의 대출력 RF amplifier는 3극관, 4극관 또는 5극관의 진공관을 이용하고 있다. 진공관의 양극에는 고전압을 인가하게 되며, 보조극(control grid, screen grid, suppressor grid)을 접지한 ground-grid 방식의 음극(cathode) drive 방법을 이용하거나, 또는 음극(cathode)을 접지하고 보조극을 drive하는 보조극 drive 방식을 이용하고 있다.그러나, 이러한 종래의 진공관 방식의 RF amplifier 회로를 이용할 경우, 대출력의 RF 출력을 얻기 위하여서는 대출력에 적합한 진공관을 선택하여 이용하여야 하며, 이는 펄스 RF 출력 시에도 마찬가지이다. 즉, 100 kW의 펄스 RF 출력을 얻기 위해서는 CW (continuous wave) 100 kW 급의 진공관을 이용하여야 하며 이는 막대한 RF 구동전력을 필요로 하게 되고 RF amplifier의 규모 또한 매우 커지게 된다.그러나, 본 기술에 의한 진공관과 반도체 스위칭 소자의 cascade 회로를 이용하면 소출력의 펄스 RF 전력으로 대출력의 펄스 RF 전력을 발생시킬 수 있으며, 이는 플라즈마 발생 분야를 비롯하여 다양한 대출력 RF 응용분야에 이용할 수 있다.