KR100398966B1 - 초고주파 발진장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고주파 발진장치에 관한 것으로, 입력되는 전압을 소정레벨의 전압으로 출력시키는 구동전원발생수단과, 상기 구동전원발생수단으로부터 제공되는 저전압의 출력전원을 수용하는 전원입력부와를 가진다. 발열수단은 상기 전원입력부로부터 제공되는 전원을 인가받아 발열한다. 입력캐비티는 상기 발열수단의 상부에 순차로 설치된 캐소드와, 상기 캐소드 상부에 소정간격을 두고 설치된 제1그리드와, 상기 제1그리드와 상기 캐소드를 절연시키기 위한 쵸크구조체로 둘러싸인 공간으로서, 상기 캐소드는 상기 발열수단의 발열에 의해 소정의 작동온도로 가열되어 열전자를 방출하고, 상기 제1 그리드는 바이어스 전압이 인가되어 상기 캐소드로부터 방출된 전자를 제어하고 집속하며, 상기 쵸크구조체는 상기 입력캐비티 내부에 마이크로파를 형성하는 표면전류를 통전하고, 상기 캐소드와 상기 제1그리드 사이의 직류는 차폐한다. 출력캐비티는 상기 제1그리드의 상부에 정렬된 제2그리드와, 상기 제2그리드 상부에 설치되며 상기 캐소드에 대응하여 형성되는 애노드로 둘러싸인 공간으로서, 상기 애노드는 열을 냉각시키기 위하여 복수개의 냉각핀이 적층배열되어 감속된 전자빔을 소멸시키며, 상기 제2그리드는 상기 입력캐비티의 제1그리드를 통과한 전자가 통과하면서 표면전류를 유도하며, 상기 입력캐비티에 집속된 전자가 밀도변조되면서, 상기 제1그리드와 제2 그리드 사이의 전위차에 의해 가속되고 제2 그리드에 유도된 표면전류에 의해 마이크로파를 형성한다. 상기 출력캐비티에는 마이크로파를 방사하는 방사수단이 형성된다. 피이드백수단은 상기 출력캐비티에 형성된 마이크로파의 일부를 상기 출력캐비티로부터 입력캐비티 내로 피이드백하기 위한 것으로, 출력캐비티로부터 발생된 출력파워의 일부를 분리시키기 위한 방향성 결합기와, 분리된 출력파워의 일부를 필요로 하는 량의 파워로 정확히 감소시키기 위한 감쇄기와, 상기 감쇄기에 의해 감쇄된 파워의 위상을 정확히 조절하기 위한 위상조정기와, 상기 입력캐비티 내의 상기 출력캐비티에 대응하는 위치에 설치되어 상기 출력캐비티로부터 방사되는 출력파워의 일부가 출력파워와 동일한 위상으로 조정되어 피이드백되는 피이드백봉으로 구성된다.

Description

초고주파 발진장치

본 발명은 초고주파 발진장치에 관한 것으로, 특히 외부 피이드백 구조를 가지는 초고주파발진장치에 관한 것이다.

일반적으로, 전자렌지 등과 같은 마이크로파를 이용하는 전열장치에서는 초고주파 발진장치로서 4kV의 고전압으로 구동되는 마그네트론을 채용하고 있다. 이러한 마그네트론은 마이크로파를 생성하는 일종의 2극 진공관으로서, 도1에 도시된 바와 같이, 콘덴서(11), 코일(12) 등으로 구성된 입력부에 전원을 인가하면, 캐소드(1)의 필라멘트에서 방출된 열전자가 원통형의 애노드(2)의 내벽에 방사상으로 배열되어 있는 복수개의 베인(3) 단자와 필라멘트 사이의 작용공간(4)에 방출되며,이 작용공간(4)에는 캐소드(1)와 애노드(2)를 구성하는 베인(3) 사이에 4kV의 고전압이 인가되어 작용공간(4) 내에 전계차가 형성된다. 또한, 작용공간(4)에는 자석(5)와 자극(6)으로 구성되는 자기회로에 의해 자계가 인가되어 열전자는 싸이클로이드 운동을 하게 되고, 이 운동에 의한 에너지를 베인(3) 및 스트랩(8)에 전달함으로써 베인(3)에 접속된 안테나(7)와, 안테나 세라믹(9) 및 안테나 캡(10) 등으로 구성된 출력부를 통하여 조리실로 방사되어, 마이크로파 에너지를 발생시켰다.

이러한 마그네트론은 도2에 도시된 바와 같이, 캐소드(1)에서 열전자가 방출하면, 전계 및 자계의 영향으로 전자가 가속되어 선회운동을 하면서 애노드(2)로 이동하여 전자의 선회운동으로 애노드(2)의 표면에 고주파 전류를 형성하고, 베인(3) 사이에 작용하는 "L", "C"값에 의해 공진주파수를 결정하여 소정의 공진조건을 만족하게 될 때 마이크로파를 발생하도록 동작한다.

이와 같은 종래의 마그네트론은 4kV 정도의 고압에서 구동됨에 따라 고압트랜스 및 고압 다이오드등과 같은 고가의 소자를 필요로 하게 되고, 고압으로 구동되므로 안전에 문제가 있게 되며, 또한 전자기장내의 전자의 운동에 의한 공진방식을 채용하는 것이므로 강력한 자석이 필요하게 되어 중량이 무거우며 따라서 제조비용이 많이 든다는 문제점이 있었다.

한편, 미국특허 제 5,541,391호에는 전자렌지용 초고주파 발진관으로 클라이스트론(Klystron)이 개시된다. 이 클라이스트론(40)은 도시된 바와 같이, 전원을 수용하는 입력단자(42)와, 이 입력단자(42)의 전원공급에 응답하여 마이크로파를 발생시키는 클라이스트론 본체(41)와, 클라이스트론 본체(41)로부터의 마이크로파를 전달하는 안테나(32)와, 클라이스트론 본체(41) 내에 발생된 열을 외방으로 방출하는 냉각유닛(43)과, 전자를 수용하도록 설치된 전자빔 집속기(49)로 구성되며, 냉각유닛(43)은 전자의 수용에 의해 발생된 열을 분산하도록 배열된 냉각핀(44)과, 냉각핀(44)을 지지하고 전자빔 집속기(49)로부터의 열을 냉각핀(44)에 전달하도록 배열된 냉각로드(46)와, 냉각핀(44)을 둘러싸는 폐쇄체로 이루어진다.

클라이스트론(40)은 또한, 입력단자(42)를 통해 전원을 수용하고 수용된 전원에 의해 전자를 발생시키는 전자총(50)과, 전자총(50) 및 전자빔 집속기(49) 둘레에 설치된 한 쌍의 마그네트(52)와 이 마그네트(52)에 의해 폐쇄 루우프를 구성하는 가이드로서 작용하는 요크(54)와, 복수의 캐비티를 가지고 마그네트(52) 사이에 끼워진 튜브(56)를 포함한다.

이와 같은 클라이스트론은 도 4에 도시된 바와 같이, 히터(58)에 의해 가열된 캐소드(60)에서 방출된 열전자는 변조부재(70)가 개재된 캐소드(60)와 애노드(62) 사이의 전위차에 의해 가속되어 복수의 캐비티(64, 66, 68)를 통과하고, 이와 같이 캐비티를 통과하는 전자빔에 의해 각 캐비티에 표면전류를 유도하고 각 캐비티의 형상에 대응하는 공진주파수로 마이크로파를 발생시키며, 전자의 운동에너지를 마이크로파 에너지로 전환시킨 후, 고주파전력을 최종 캐비티(68)로부터 안테나(32)로 전달한다.

그러나, 상기한 바와 같은 클라이스트론은 여전히 고압에 의해 구동되므로 입력단자를 별도의 절연부재로 절연해야 하고 상용전압을 고압으로 승압하기 위한 고압트랜스가 필요하고 전자빔의 집속을 위하여 마그네트가 필요하게 되므로 제조비용이 고가이고 제품이 무겁게 되는 문제점이 있다. 또한, 전자의 운동방식 또한 복잡하여 노이즈가 과다하게 발생하게 되고 냉각구조가 복잡하게 되며 다수의 캐비티를 가지도록 형성되므로 구조가 복잡하여 장치를 제조하기가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 기술적 과제는 저전압에서 구동되며 구조가 간단하여 제작이 용이한 초고주파 발진장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 기술적과제는 발생된 초고주파 에너지의 일부를 외부 피이드백 방식으로 피이드백함으로써 피이드백 에너지의 양과 위상을 더욱 정밀하게 조정할 수 있는 향상된 성능을 가지는 초고주파 발진장치를 제공하는데 있다.

상기의 기술적과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 입력되는 전압을 소정레벨의 전압으로 출력시키는 구동전원발생수단과;

상기 구동전원발생수단으로부터 제공되는 저전압의 출력전원을 수용하는 전원입력부와;

상기 전원입력부로부터 제공되는 전원을 인가받아 발열하는 발열수단과;

상기 발열수단의 상부에 순차로 설치된 캐소드와, 상기 캐소드 상부에 소정간격을 두고 설치된 제1그리드와, 상기 제1그리드와 상기 캐소드를 절연시키기 위한 쵸크구조체로 둘러싸인 공간의 입력캐비티로서, 상기 캐소드는 상기 발열수단의 발열에 의해 소정의 작동온도로 가열되어 열전자를 방출하고, 상기 제1 그리드는 바이어스 전압이 인가되어 상기 캐소드로부터 방출된 전자를 제어하고 집속하며, 상기 쵸크구조체는 상기 입력캐비티 내부에 마이크로파를 형성하는 표면전류를 통전하고, 상기 캐소드와 상기 제1그리드 사이의 직류는 차폐하는 입력캐비티와;

상기 제1그리드의 상부에 정렬된 제2그리드와, 상기 제2그리드 상부에 설치되며 상기 캐소드에 대응하여 형성되는 애노드로 둘러싸인 공간의 출력캐비티로서, 상기 애노드는 열을 냉각시키기 위하여 복수개의 냉각핀이 적층배열되어 감속된 전자빔을 소멸시키며, 상기 제2그리드는 상기 입력캐비티의 제1그리드를 통과한 전자가 통과하면서 표면전류를 유도하며, 상기 입력캐비티에 집속된 전자가 밀도변조되면서, 상기 제1그리드와 제2 그리드 사이의 전위차에 의해 가속되고 제2 그리드에 유도된 표면전류에 의해 마이크로파를 형성하는 출력캐비티와;

상기 출력캐비티에 형성된 마이크로파를 방사하는 방사수단과;

상기 출력캐비티에 형성된 마이크로파의 일부를 상기 출력캐비티로부터 입력캐비티 내로 피이드백하기 위한 피이드백 수단으로서, 상기 피이드백수단은 출력캐비티로부터 발생된 출력파워의 일부를 분리시키기 위한 방향성 결합기와, 분리된 출력파워의 일부를 필요로 하는 량의 파워로 정확히 감소시키기 위한 감쇄기와, 상기 감쇄기에 의해 감쇄된 파워의 위상을 정확히 조절하기 위한 위상조정기와, 상기 입력캐비티 내의 상기 출력캐비티에 대응하는 위치에 설치되어 상기 출력캐비티로부터 방사되는 출력파워의 일부가 출력파워와 동일한 위상으로 조정되어 피이드백되는 피이드백봉으로 구성되는 그러한 피이드백수단;

으로 구성되는 초고주파발생장치를 제공한다.

도 1은 통상적인 초고주파 발진관으로 사용된 마그네트론의 구조를 나타내는 개략단면도이고,

도 2는 도 1의 마그네트론의 동작원리를 나타내는 개략도이고,

도 3은 종래의 초고주파 발진관으로 사용된 클라이스트론의 구조를 나타내는 개략단면도이고,

도 4는 도 3의 클라이스트론의 동작원리를 나타내는 개략도이고,

도 5은 본 발명의 초고주파 발진장치의 구조를 나타내는 개략단면도이고,

도 6는 도 5의 초고주파 발진장치의 동작원리를 나타내는 개략도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

120 : 히터 130 : 입력캐비티

132 : 캐소드 134 : 제1 그리드

140 : 출력캐비티 142 : 제2 그리드

146 : 애노드 148 : 냉각핀

152 : 커플링단부 160 : 피이드백 봉

210 : 방향성 결합기 220 : 감쇄기

230 : 위상조정기 260 : 쵸크구조체

이하, 본 발명의 초고주파 발진장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 초고주파 발진장치(100)는 커버(104)가 하부에 덮힌 쉴더케이스(105) 내에 전원입력부(110)와, 히터(120)와, 입력캐비티(130)와, 입력캐비티(130) 중앙하부에 피이드백봉(160)과, 출력캐비티(140)와, 출력캐비티(140) 상부에 애노드(146)와, 출력캐비티(140) 중앙상부에 커플링단부(152)와, 커플링단부(152)에 연결된 애노드(146)의 안테나(150) 등이 브라켓(102) 내에 설치된다. 쉴더케이스(105) 내부와 애노드(146)의 안테나(150)의 설치공간은 진공을 유지한다. 브라켓(102)은 통상적인 전자렌지용 마그네트론에 사용된 것과 동일한 것이 바람직하다.

초고주파 발진관(100)은 환형의 필라멘트로 구성된 히터(120)의 발열에 의한 간접가열방식으로 전자방사체인 캐소드(132)가 열전자를 방출한다. 즉, 도6에 도시된 바와 같이, 히터(120)의 상면에 재치된 캐소드(132)가 히터(120)의 발열에 의하여 약 600∼1200℃로 가열되면, 열전자를 방출하게 된다.

입력캐비티(130)는 캐소드(132)와, 상기 캐소드(132) 상부에 소정간격을 두고 설치된 제1그리드(134)와, 상기 캐소드(132)를 절연시키기 위한 쵸크구조체(136)로 둘러싸인 공간으로서, 상기 캐소드(132)는, 도5 및 도6에 도시된 바와 같이, 중앙에 구멍이 형성된 링 형상의 디스크 또는 원판형디스크로서, 상기 히터(120)의 발열에 의해 상기의 작동온도로 가열되어 열전자를 방출한다. 상기 캐소드(132)의 상부에 소정간격을 두고 설치된 상기 제1 그리드(134)는 바이어스 전압이 인가되어 상기 캐소드(132)로부터 방출된 전자를 입력캐비티(130)에 제어하고 집속한다. 이 때, 제1그리드(134)와 캐소드(132) 사이는 전기적으로 절연상태이기 위하여, 좀 더 자세히는 그 사이의 직류는 차폐되고, 입력캐비티(130) 내부의 마이크로파를 형성하는 표면전류는 통전되도록 하기 위하여, 쵸크구조체(136)를 상기 캐소드(132)와 상기 제1그리드(134) 사이에 설치한다. 상기 쵸크구조체(260)의 간극은 λ/4이도록 한다.

입력캐비티(130)의 상부에 배열되는 출력캐비티(140)는, 입력캐비티(130)의 제1 그리드(134)에 소정의 간극을 두고 대향하는 제2 그리드(142)와, 바닥면에서 상기 캐소드(132)에 대응하는 부분에 하향으로 돌출한 돌추부가 형성된 애노드(146)로 둘러싸인 공간으로서, 이 공간에서 입력캐비티(130)에 집속된 전자가 밀도변조되면서 제1그리드(134)와 제2그리드(142) 사이의 전위차에 의해 가속되고, 제2 그리드(142)에 유도된 표면전류에 의해 마이크로파가 형성된다. 감속된 전자빔을 소멸하는 애노드(146)는 또한 열을 방사시키기 위하여 복수개의 냉각핀(148)이 적층배열된다.

제1 및 제2그리드(134, 142)는, 도6에 도시된 바와 같이, 금속재로서, 캐소드에 대응하는 형상으로 서로 동일한 형상 및 재질을 가지며, 캐소드(132)에 대응하는 위치에 원주방향을 따라 슬롯 또는 홀형상의 개구부(170, 180)가 형성되며, 이 개구부를 통하여 캐소드(132)로부터 방출된 전자빔이 통과하게 된다.

입력캐비티(130)에 집속된 전자는 제1 그리드(134)의 바이어스전원의 자동차폐기능에 의해 밀도변조되어 제1 그리드(134)를 통과하게 되고, 이때 서로 절연된 입출력 캐비티(130, 140) 사이에 대략 500∼700VDC의 저전압의 동작전압이 인가되면, 그 사이의 전위차가 발생하게 되어, 제1 그리드를 통과한 전자가 가속되어 제2 그리드(142)를 통과하게 되므로 출력캐비티(140) 내에 표면전류가 유도되게 된다. 이 결과, 출력캐비티(140) 내에 마이크로파가 형성되게 되고, 이 형성된 마이크로파는 애노드(146)의 중앙을 관통하여 출력캐비티(140)에 형성된 안테나(150)를 통해 방사된다. 이를 위해 안테나(150)의 커플링단부(152)는 출력캐비티(140) 내에 위치된다. 안테나(150)의 중앙상부에 연결되는 안테나세라믹(154)과 안테나캡(156)은 통상적인 마그네트론의 구조와 동일하다.

한편, 상기 출력캐비티(140)에 형성된 마이크로파의 일부를 상기 출력캐비티로부터 입력캐비티(130) 내로 피이드백하기 위한 피이드백 수단이 설치된다. 이 피이드백수단은, 출력캐비티(140)로부터 발생된 출력파워의 일부를 분리시키기 위한 방향성 결합기(210)와, 분리된 출력파워의 일부를 하는 량의 파워로 정확히 감소시키기 위한 감쇄기(220)와, 상기 감쇄기(220)에 의해 감쇄된 파워의 위상을 정확히 조절하기 위한 위상조정기(230)와, 상기 입력캐비티(130) 내의 상기 출력캐비티(140)에 대응하는 위치에 설치되어 상기 출력캐비티(140)로부터 방사되는 출력파워의 일부가 출력파워와 동일한 위상으로 조정되어 입력캐비티(130) 내로 피이드백되도록 하기 위한 피이드백봉(160)으로 구성된다.

또한, 히터(120)와 캐소드(132)로 구성된 캐소드부에는 수백 내지 수천볼트의 높은 전압이 걸려 있으므로 이와 절연시키기 위하여 입력라인에 쵸크구조체(260)를 설치하여 안전하게 동작되도록 한다. 쵸크구조체(260)의 간극은 λ/4이도록 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 초고주파 발진장치에 따르면, 초고주파 발진장치에 비하여 고압에 대한 안정성이 확보될 뿐만 아니라 통상적인 마그네트론에 비하여 고압회로부가 필요없게 되므로 경량화가 달성되고, 제1 및 제2 그리드를 사용하여 전자빔을 집속하므로 외부자장 인가용 자석이 불필요하게 되고, 캐소드와 제1 및 제2 그리드 및 애노드가 평면구조를 이루므로 구조가 간단해져서 경량화가 달성되고 제1그리드의 오토바이어스기능으로 외부로부터의 별도의 바이어스 전원이 불필요하게 되므로 제품의 가격이저렴해지는 효과를 가지게 된다.

방향성 결합기가 설치되어 있는 공간에서 파워의 일부를 커플링할 때 입력캐비티의 중앙부로 바로 피이드백하지 않고 출력캐비티의 커플링단부에 연결된 안테나를 통하여 방출된 에너지로부터 분리시켜 입력에 필요한 적절한 량의 파워로 감쇄시키고 다시 위상조정기를 통하여 출력캐비티에서의 출력파워와 비교하여 위상을 정확하게 조정하여 피이드백봉으로 피이드백시킴으로써, 피이드백 파워의 위상 및 에너지 량이 보다 최적화될 수 있게 되었다.

Claims (4)

1. 입력되는 전압을 소정레벨의 전압으로 출력시키는 구동전원발생수단;

   상기 구동전원발생수단으로부터 제공되는 저전압의 출력전원을 수용하는 전원입력부(110);

   상기 전원입력부로부터 제공되는 전원을 인가받아 발열하는 발열수단(120);

   상기 발열수단의 상부에 순차로 설치되어 열전자를 방출시키는 캐소드(132)와, 상기 캐소드 상부에 소정간격을 두고 설치되어 캐소드로부터 방출된 전자를 제어하고 집속하는 제1 그리드(134)와, 상기 제1그리드와 상기 캐소드를 절연시키기 위한 쵸크구조체(136)로 둘러싸인 공간의 입력캐비티(130)와;

   상기 제1그리드의 상부에 소정간격을 두고 정렬된 제2 그리드(142)와, 상기 캐소드에 대응하여 상기 제2그리드 상부에 설치되며 열을 냉각시키기 위하여 복수개의 냉각핀이 적층배열되어 감속된 전자빔을 소멸시키는 애노드(146)로 둘러싸인 공간의 출력캐비티(140)와;

   상기 출력캐비티에 형성된 마이크로파를 방사하는 방사수단(152)과;

   상기 출력캐비티에 형성된 마이크로파의 일부를 상기 출력캐비티로부터 입력캐비티 내로 피이드백하기 위한 피이드백 수단으로서, 상기 피이드백수단은 출력캐비티로부터 발생된 출력파워의 일부를 분리시키기 위한 방향성 결합기(210)와, 분리된 출력파워의 일부를 필요로 하는 량의 파워로 정확히 감소시키기 위한 감쇄기(220)와, 상기 감쇄기에 의해 감쇄된 파워의 위상을 정확히 조절하기 위한 위상조정기(230)와, 상기 입력캐비티 내의 상기 출력캐비티에 대응하는 위치에 설치되어 상기 출력캐비티로부터 방사되는 출력파워의 일부가 출력파워와 동일한 위상으로 조정되어 피이드백되는 피이드백봉(160)으로 구성되는 그러한 피이드백수단;

   으로 구성됨을 특징으로 하는 초고주파 발생장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 입력캐비티(130)의 상기 발열수단(120) 및 캐소드(132)로 구성된 부분과, 입력캐비티의 중앙 하부에 설치되는 피이드백수단을 서로 절연시키기 위하여 피이드백 입력라인에 쵸크구조체(260)를 설치하여 안전하게 동작되도록 하고, 상기 쵸크구조체(260)의 간극은 λ/4이도록 함을 특징으로 하는 초고주파 발생장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제1 그리드(134)와 상기 캐소드(132)를 절연시키기 위한 쵸크구조체(136)는 그 구조체의 간극이 λ/4이도록 형성함으로써, 상기 입력캐비티(130) 내부에 마이크로파를 형성하는 표면전류를 통전하고, 상기 캐소드(132)와 상기 제1 그리드(134) 사이의 직류는 차폐함을 특징으로 하는 초고주파 발생장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제1 그리드(134) 및 제2 그리드(142)는, 캐소드(132)에 대응하는 위치에 원주방향을 따라 슬롯 또는 홀형상의 개구부(170, 180)가 형성되며, 이 개구부(170, 180)를 통하여 캐소드(132)로부터 방출된 전자빔이 집속되어 통과하게 됨을 특징으로 하는 초고주파 발생장치.