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진행파관

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목차

1. 개요

진행파관(TWT)은 고출력 마이크로파 신호를 증폭하는 데 사용되는 전자관의 일종이다. 1930년대 안드레이 해프에 의해 처음 설계되었고, 루돌프 콤프너와 존 R. 피어스 등에 의해 개량되었다. TWT는 전자총, 나선형 지연 회로, 집전극 등으로 구성되며, 헬릭스를 따라 진행하는 전자빔과 RF 신호의 상호 작용을 통해 증폭이 이루어진다. 넓은 대역폭과 높은 증폭 성능을 특징으로 하며, 인공위성 트랜스폰더, 레이더, 우주선 등 다양한 분야에서 활용된다.

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진행파관
진행파관
진행파관
진행파관의 그림
종류마이크로파 증폭기
용도레이더
위성 통신
전자전
광대역 통신
개발루돌프 콤프프너, 니엘스 하렌
작동 원리
개요전자빔과 전파의 상호작용을 이용하여 증폭
전자빔전자총에서 생성된 전자빔을 관을 통해 통과시킴
느린파 구조전자빔과 함께 전파를 느리게 하여 상호작용을 증가시킴
증폭 과정전자빔과 전파가 상호작용하면서 전파의 에너지가 증가하여 증폭됨
수집기증폭된 전파를 수집하여 출력
구조
주요 부품전자총
초점 장치
느린파 구조
수집기
종류헬릭스 진행파관
커플드 캐비티 진행파관
링바 진행파관
특징
이득높음
대역폭넓음
출력중간에서 높은 출력
효율중간
잡음비교적 높은 잡음
응용 분야
통신위성 통신
지상파 통신
레이더항공기 레이더
기상 레이더
전자전재밍
기만
과학 연구입자 가속기
플라즈마 연구
의료방사선 치료
역사
개발루돌프 콤프프너, 니엘스 하렌이 제2차 세계 대전 중에 개발
초기 사용레이더 시스템에서 사용
발전이후 통신, 전자전 등 다양한 분야로 확장
기타
장점높은 이득
넓은 대역폭
높은 출력
단점낮은 효율
높은 잡음
복잡한 구조
관련 기술클라이스트론, 자이로트론, 마그네트론

2. 역사

진행파관은 1930년대 앤드레이 해프의 초기 연구에서 시작되어, 1940년대 루돌프 콤프너(Rudolf Kompfner)와 존 R. 피어스(John R. Pierce) 등에 의해 획기적으로 발전하였다.

2. 1. 초기 연구 (1930년대 ~ 1940년대 초)

1931년, 캘리포니아 공과대학교(Caltech)의 앤드레이 "앤디" 해프(Andrei "Andy" Haeff)는 고주파 전류 제어 장치에 대한 연구를 진행하며 초기 진행파관(TWT)의 개념을 제시하였다. 그는 1933년에 "고주파 전류 제어 장치 및 방법(Device for and Method of Controlling High Frequency Currents)"에 대한 특허를 출원하여 1936년에 허가받았다.[9][10]

1940년 5월, 미국의 RCA(Radio Corporation of America)에서 근무하던 닐스 린덴블라드(Nils Lindenblad)는 루돌프 콤프너(Rudolf Kompfner)의 TWT와 매우 유사한 장치에 대한 특허를 출원하였다.[11] [12] 이 두 장치는 모두 정밀 전자총을 사용하여 전자빔을 헬릭스 중앙으로 향하게 하여 해프의 설계보다 더 큰 파동 증폭을 가능하게 했다.[10]

2. 2. 콤프너와 피어스의 TWT 개발 (1940년대 중반 ~ 1950년대)

제2차 세계 대전 중 영국 해군본부 레이더 연구소에서 루돌프 콤프너(Rudolf Kompfner)는 TWT를 독자적으로 개발했다.[13] 콤프너의 TWT에 대한 최초 스케치는 1942년 11월 12일이며, 그는 1943년 초에 최초의 TWT를 제작했다.[12][14]

이후 TWT는 콤프너,[14] 존 R. 피어스(John R. Pierce),[15] 그리고 벨 연구소의 레스터 M. 윈슬로(Lester M. Winslow)에 의해 개량되었다. 1947년, 벨 연구소의 존 R. 피어스는 TWT에 대한 이론을 확립하였다.[30] 피어스와 윈슬로는 콤프너의 TWT를 개량하여 성능을 향상시켰다.

2. 3. TWT의 상용화 및 발전 (1950년대 이후)

1950년대에는 미국 휴즈 항공사(Hughes Aircraft Company)의 전자관 연구소(Electron Tube Laboratory)에서 추가 개발을 거쳐 TWT가 생산되기 시작했다.[16] 1960년대에는 잉글리시 일렉트릭 밸브 컴퍼니(English Electric Valve Company) 등 여러 회사에서 TWT를 생산하였다.[17]

1962년 7월 10일, 최초의 통신 위성인 텔스타 1호(Telstar 1)에는 RCA에서 설계한 2W, 4GHz TWT 트랜스폰더가 탑재되어 지구국으로 RF 신호를 전송하는 데 사용되었다.[19] 1963년 7월 26일, 정지 궤도 위성 싱콤 2호(Syncom 2)에는 휴즈에서 설계한 2W, 1850MHz TWT 트랜스폰더 2개(하나는 작동, 하나는 예비)가 탑재되었다.[20]

일본에서는 1952년에 텔레비전 중계용으로 TWT가 처음 사용되었고, 1954년에는 일본전신전화공사(日本電信電話公社)의 기간 통신 회선에 사용되었다.[30]

3. 작동 원리

진행파관(TWT)은 전자총, 나선형 지연 회로, 집전극 등의 구성 요소를 통해 마이크로파를 증폭하는 진공관이다. TWT는 한쪽 끝에 있는 전자총에서 전자를 방출하고, 이 전자는 관 내부의 나선형 코일(지연 회로)을 따라 이동하면서 증폭될 RF 신호와 상호작용한다.

전자의 속도는 가속 전압을 통해 조절되어 나선형 코일을 따라 진행하는 RF 신호의 속도와 비슷하게 맞춰진다. 이때 전자는 신호의 위상에 따라 속도가 빨라지거나 느려지면서 뭉쳐지는 현상, 즉 "속도 변조"가 발생한다. 이 뭉쳐진 전자빔은 원래 RF 신호의 패턴을 따르게 된다. 전자빔이 나선형 코일을 통과하면서 유도 현상에 의해 원래 신호가 증폭되고, 이 과정은 관의 다른 쪽 끝에 도달할 때까지 반복되어 증폭된다. 증폭된 신호는 집전극 근처의 방향성 결합기를 통해 출력된다.

지연 회로 축상의 파수가 많기 때문에 전자와의 상호 작용이 높아져 높은 이득을 얻을 수 있고, 또한 공진기가 없기 때문에 증폭의 대역폭이 넓다는 특징을 가지고 있다.

3. 1. 기본 구조

전자총은 가열된 음극에서 전자를 방출하고, 이를 빔 형태로 집속하여 가속시키는 장치이다.[4][5] 음극과 양극 사이에 전압을 가하면 전자가 관의 먼 쪽 끝으로 가속되고, 관 주위의 외부 자기장은 전자를 빔으로 집중시킨다.

RF 신호가 입력되어 전자빔과 상호작용하는 공간은 일반적으로 무산소 동으로 만들어진 나선형 코일(헬릭스)이다. 이 헬릭스는 RF 신호의 진행 속도를 늦추어 전자빔의 속도와 비슷하게 만들어 증폭 효율을 높이는 역할을 한다. 이를 나선형 지연 회로라고 부른다.

집전극은 전자빔을 수집하여 회로로 돌려보내는 역할을 한다.[4][5]

3. 2. 증폭 과정

가속 전압을 제어하여 관을 따라 흐르는 전자의 속도를 나선형 코일을 따라 진행하는 RF 신호의 속도와 비슷하게 설정한다. 전선의 신호는 전자가 흐르는 나선형 코일 중앙에 자기장을 유도한다. 신호의 위상에 따라 전자는 권선을 통과할 때 속도가 빨라지거나 느려진다. 이로 인해 전자빔이 "뭉쳐지는" 현상이 발생하는데, 이는 기술적으로 "속도 변조"라고 한다.[4] 빔의 전자 밀도 패턴은 원래 RF 신호와 유사하다.

빔이 이동하면서 나선형 코일을 통과하고 그 신호가 변하기 때문에 나선형 코일에 유도가 발생하여 원래 신호가 증폭된다. 관의 다른 쪽 끝에 도달할 때까지 이 과정을 통해 상당한 에너지가 나선형 코일에 다시 공급된다. 집전극 근처에 위치한 두 번째 방향성 결합기는 RF 회로의 먼 쪽 끝에서 입력 신호의 증폭된 버전을 수신한다. RF 회로를 따라 배치된 감쇠기는 반사파가 음극으로 되돌아가는 것을 방지한다.[4]

진행파관은 진공 속에서 전자총에서 나온 전자 흐름의 속도가 같은 방향으로 진행하는 지연 회로 위의 전파 속도와 거의 같을 때, 축상의 전계와 전자 사이에 발생하는 상호 작용을 이용하여 마이크로파를 증폭한다. 전자 흐름은 최종적으로 집전극(コレクタ)에 모인다.[30] 지연 회로 축상의 파수가 많기 때문에 전자와의 상호 작용이 높아져 높은 이득(利得)을 얻을 수 있고, 또한 공진기(空洞共振器)가 없기 때문에 증폭의 대역폭(帯域幅)이 넓다는 특징을 가지고 있다.[31]

3. 3. 종류

진행파관(TWT)은 크게 두 가지 주요 형태로 나뉜다.

  • '''나선형 TWT (Helix TWT):''' 가장 일반적인 TWT이다. 넓은 대역폭과 낮은 잡음 특성을 가지는 것이 특징이다.[6][7] 일반적으로 2.5kW 미만의 출력 전력에 사용된다. 헬릭스 와이어의 전류 처리 용량에 의해 최대 RF 출력 전력이 제한되기 때문이다. 와이어가 과열되면 헬릭스 형상이 휘어질 수 있다.
  • '''결합 공진기 TWT (Coupled-Cavity TWT):''' 나선형 지연 회로 대신 결합된 공진기들을 사용하여 더 높은 출력 전력을 얻을 수 있다. 헬릭스 TWT보다 높은 전력 출력이 가능하여 60kW까지 가능하다. 하지만, 나선형 TWT보다 대역폭은 좁다. 작동 방식은 클라이스트론과 유사하지만, 결합 공진기 TWT는 드리프트 튜브 대신 느린 파 구조 사이에 감쇠가 있도록 설계되어 넓은 대역폭을 제공한다.[8]

4. 특징

1942년 영국의 루돌프 콤프너가 진행파관에 대한 아이디어를 제시했고, 1947년 미국의 존 R. 피어스가 관련 이론을 확립했다.[30] 진행파관은 진공 속에서 전자총에서 나온 전자의 흐름과 같은 방향으로 진행하는 지연 회로 위의 전파 속도가 거의 같을 때, 축상의 전계와 전자 사이에 발생하는 상호작용을 이용하여 마이크로파를 증폭하는 장치이다. 전자 흐름은 최종적으로 집전극(コレクタ)에 모인다.[30]

일본에서는 마이크로파를 이용한 전화 회선과 텔레비전 중계를 목적으로 진행파관 개발이 진행되어, 1952년 텔레비전 중계에 사용되었고, 1954년 일본전신전화공사의 기간 통신 회선에 사용되었다.[30]

4. 1. 장점

진행파관은 공진기가 없기 때문에 증폭의 대역폭(帯域幅)이 넓고, 지연 회로 축상의 파수가 많기 때문에 전자와의 상호 작용이 높아 높은 이득(利得)을 얻을 수 있다는 특징을 가진다.[31] 현재에도 방송위성·통신위성·레이다 등 고출력 안테나 전력(空中線電力)을 필요로 하는 분야에서는 트랜지스터나 화합물 반도체 증폭기를 능가하기 때문에 사용되고 있다.[32][33]

4. 2. 단점

진행파관은 공진기가 없어 증폭의 대역폭이 넓다는 특징을 가지고 있지만, 주어진 원문에는 단점에 대한 내용이 직접적으로 언급되지 않았다. 다만, 트랜지스터나 화합물 반도체 증폭기를 능가하여 사용되는 분야가 방송 위성, 통신 위성, 레이더 등 고출력 안테나 전력을 필요로 하는 분야로 한정되어 있다는 점을 통해, 다른 증폭 방식에 비해 특정 분야에 특화되어 있다는 점을 간접적으로 유추할 수 있다.

5. 응용 분야

진행파관(TWT) 증폭기는 인공위성 트랜스폰더, 송신기, 레이더, 우주선 등 다양한 분야에 쓰인다. 높은 출력과 넓은 대역폭을 가져 방송 위성, 통신 위성 등 고출력 안테나 전력이 필요한 곳에서 트랜지스터나 화합물 반도체 증폭기보다 많이 사용된다.[32][33]

5. 1. 통신

TWT 증폭기는 입력 신호가 매우 약하고 출력이 고출력이어야 하는 인공위성 트랜스폰더의 증폭기로 널리 사용된다.[21] 위성 통신에 사용되는 TWT 증폭기는 신뢰할 수 있는 선택으로 간주되며 예상 수명인 15~20년을 넘는 경우가 많다.[22]

출력이 안테나를 구동하는 TWT 증폭기는 일종의 송신기이다. TWT 증폭기 송신기는 특히 항공기 화력 통제 레이더 시스템과 전자전 및 자체 방어 시스템에서 레이더에 광범위하게 사용된다.[23]

TWT 증폭기는 여러 우주선에 응용되어 왔으며, 5개의 우주 탐사선에도 모두 사용되었다.[24][25] 예를 들어, 2015년 명왕성을 방문하고 2019년에는 태양으로부터 43.4AU 떨어진 거리에서 카이퍼 벨트 천체 486958 아로코스에 대한 데이터를 반환한 뉴 호라이즌스 우주선에는 접시 아래 본체에 12W X 대역 TWT 증폭기가 이중으로 장착되어 있다.[26] 2021년에 발사된 제임스 웹 우주 망원경은 Ka 대역 TWT를 사용한다.[25]

방송 위성, 통신 위성, 레이더 등 고출력 안테나 전력을 필요로 하는 분야에서는 트랜지스터나 화합물 반도체 증폭기보다 TWT 증폭기가 더 많이 사용되고 있다.[32][33]

일본에서는 마이크로파를 이용한 전화 회선과 텔레비전 중계를 목적으로 TWT 개발이 진행되어, 1952년에 텔레비전 중계용으로 사용되었고, 1954년에는 일본전신전화공사의 기간 통신 회선에 사용되었다.[30]

5. 2. 레이더

TWT 증폭기 송신기는 특히 항공기 화력 통제 레이더 시스템과 전자전 및 자체 방어 시스템에서 레이더에 광범위하게 사용된다.[23] 이러한 응용 분야에서는 일반적으로 TWT의 전자총과 느린파 구조 사이에 제어 그리드가 도입되어 펄스 동작을 허용하며, 제어 그리드를 구동하는 회로는 일반적으로 그리드 변조기라고 한다.

5. 3. 과학 연구

TWT 증폭기는 입력 신호가 매우 약하고 출력이 고출력이어야 하는 인공위성 트랜스폰더의 증폭기로 널리 사용된다.[21] 위성 통신에 사용되는 TWT 증폭기는 신뢰할 수 있는 선택으로 간주되며 예상 수명인 15~20년을 넘는 경우가 많다.[22] 출력이 안테나를 구동하는 TWT 증폭기는 일종의 송신기이다. TWT 증폭기 송신기는 특히 항공기 화력 통제 레이더 시스템과 전자전 및 자체 방어 시스템에서 레이더에 광범위하게 사용된다.[23] 이러한 응용 분야에서는 일반적으로 TWT의 전자총과 느린파 구조 사이에 제어 그리드가 도입되어 펄스 동작을 허용하며, 제어 그리드를 구동하는 회로는 일반적으로 그리드 변조기라고 한다.

TWT 증폭기는 여러 우주선에 응용되어 왔으며, 5개의 우주 탐사선에도 모두 사용되었다.[24][25] 예를 들어, 2015년 명왕성을 방문하고 2019년에는 태양으로부터 43.4AU 떨어진 거리에서 카이퍼 벨트 천체 486958 아로코스에 대한 데이터를 반환한 뉴 호라이즌스 우주선에는 접시 아래 본체에 12W X 대역 TWT 증폭기가 이중으로 장착되어 있다.[26] 2021년에 발사된 제임스 웹 우주 망원경은 Ka 대역 TWT를 사용한다.[25]

1942년에 영국의 루돌프 콤프너(Rudolf Kompfner)의 아이디어로 시작되어 1947년에 미국의 존 R. 피어스(John R. Pierce)에 의해 이론이 확립되었다.[30] 진행파관은 진공 속에서 전자총에서 나온 전자 흐름의 속도가 같은 방향으로 진행하는 지연 회로 위의 전파 속도와 거의 같을 때, 축상의 전계와 전자 사이에 발생하는 상호 작용을 이용하여 마이크로파를 증폭하며, 전자 흐름은 최종적으로 집전극(コレクタ)에 모인다.[30]

지연 회로 축상의 파수가 많기 때문에 전자와의 상호 작용이 높아져 높은 이득(利得)을 얻을 수 있고, 또한 공진기(空洞共振器)가 없기 때문에 증폭의 대역폭(帯域幅)이 넓다는 특징을 가지고 있다.[31] 현재에도 방송 위성(放送衛星)·통신 위성(通信衛星)·레이다 등 고출력 안테나 전력(空中線電力)을 필요로 하는 분야에서는 트랜지스터나 화합물 반도체(化合物半導体) 증폭기를 능가하기 때문에 사용되고 있다.[32][33]

일본에서는 마이크로파를 이용한 전화 회선(電話回線)과 텔레비전 중계(テレビ中継)를 목적으로 개발이 진행되어, 1952년에 텔레비전 중계용으로 사용되었고, 1954년에는 일본전신전화공사(日本電信電話公社)의 기간 통신 회선에 사용되었다.[30]

5. 4. 기타

TWT 증폭기는 입력 신호가 매우 약하고 출력이 고출력이어야 하는 인공위성 트랜스폰더의 증폭기로 널리 사용된다.[21] 위성 통신에 사용되는 TWT 증폭기는 신뢰할 수 있는 선택으로 간주되며 예상 수명인 15~20년을 넘는 경우가 많다.[22] 출력이 안테나를 구동하는 TWT 증폭기는 일종의 송신기이다. TWT 증폭기 송신기는 특히 항공기 화력 통제 레이더 시스템과 전자전 및 자체 방어 시스템에서 레이더에 광범위하게 사용된다.[23]

TWT 증폭기는 여러 우주선에 응용되어 왔으며, 태양계를 벗어날 탈출 속도에 도달한 5개의 우주 탐사선에도 모두 사용되었다.[24][25] 예를 들어, 2015년 명왕성을 방문하고 2019년에는 태양으로부터 43.4AU 떨어진 거리에서 카이퍼 벨트 천체 486958 아로코스에 대한 데이터를 반환한 뉴 호라이즌스 우주선에는 접시 아래 본체에 12W X 대역 TWT 증폭기가 이중으로 장착되어 있다.[26] 2021년에 발사된 제임스 웹 우주 망원경은 Kaa 대역 TWT를 사용한다.[25]

1942년에 영국의 루돌프 콤프너(Rudolf Kompfner)의 아이디어로 시작되어 1947년에 미국의 존 R. 피어스(John R. Pierce)에 의해 이론이 확립되었다.[30] 진행파관은 진공 속에서 전자총에서 나온 전자 흐름의 속도가 같은 방향으로 진행하는 지연 회로 위의 전파 속도와 거의 같을 때, 축상의 전계와 전자 사이에 발생하는 상호 작용을 이용하여 마이크로파를 증폭한다. 전자 흐름은 최종적으로 집전극(コレクタ)에 모인다.[30]

지연 회로 축상의 파수가 많기 때문에 전자와의 상호 작용이 높아져 높은 이득(利得)을 얻을 수 있고, 또한 공진기(空洞共振器)가 없기 때문에 증폭의 대역폭(帯域幅)이 넓다는 특징을 가지고 있다.[31] 현재에도 방송 위성·통신 위성·레이더 등 고출력 안테나 전력을 필요로 하는 분야에서는 트랜지스터나 화합물 반도체 증폭기를 능가하기 때문에 사용되고 있다.[32][33]

일본에서는 마이크로파를 이용한 전화 회선과 텔레비전 중계를 목적으로 개발이 진행되어, 1952년에 텔레비전 중계용으로 사용되었고, 1954년에는 일본전신전화공사의 기간 통신 회선에 사용되었다.[30]

참조

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[2] 서적 Klystrons, Traveling Wave Tubes, Magnetrons, Crossed-Field Amplifiers, and Gyrotrons https://books.google[...] Artech House 2011
[3] 서적 The RF Transmission Systems Handbook https://books.google[...] CRC Press 2002
[4] 보고서 1997 Industrial Assessment of the Microwave Power Tube Industry http://www.triodeel.[...] US Department of Defense
[5] 웹사이트 Beryllium Oxide Properties http://americanberyl[...]
[6] 웹사이트 Traveling Wave Tube http://www.radartuto[...]
[7] 웹사이트 Velocity-modulated Tubes http://www.radartuto[...]
[8] 서적 Vsats: Very Small Aperture Terminals https://books.google[...] IET 1992
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[10] 학술지 The True History of the Traveling Wave Tube 2015-09
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[12] 서적 Principles of traveling wave tubes Artech House 1994
[13] 서적 Electron beams and microwave vacuum electronics https://books.google[...] John Wiley and Sons 2007
[14] 서적 The Invention of the Traveling-Wave Tube San Francisco Press 1964
[15] 서적 Traveling-Wave Tubes https://archive.org/[...] D. van Nostrand Co. 1950
[16] 웹사이트 Fire Direct Web site http://www.firedirec[...] 2008-07-02
[17] 웹사이트 TWT - Travelling Wave Tubes http://www.albacom.c[...] 2008-07-08
[18] 학술지 Travelling Wave Tube Amplifiers http://www.r-type.or[...] 2015-07-15
[19] 학술지 TELSTAR http://www.americanh[...] American Heritage 2008-07-02
[20] 서적 The Tube Guys http://www.russcochr[...] Russ Cochran 2008
[21] 서적 Satellite Communications https://books.google[...] McGraw-Hill Professional 2006
[22] 학술지 Communication satellite power amplifiers: current and future SSPA and TWTA technologies 2016
[23] 서적 Microwave Tube Transmitters https://books.google[...] Springer 1994
[24] 웹사이트 Voyager Telecommunications https://descanso.jpl[...] 2024-05-07
[25] 학술지 The traveling-wave tube in the history of telecommunication 2019
[26] 서적 2004 IEEE Aerospace Conference Proceedings (IEEE Cat. No.04TH8720) 2004
[27] 웹사이트 Military Acronyms, Initialisms, and Abbreviations http://www.fas.org/n[...]
[28] 서적 Understanding Radar https://books.google[...] Collins 1985
[29] 서적 Dictionary of Space Technology https://books.google[...] A. Hilger 1990
[30] 웹사이트 真空管「進行波管」物語 http://kawoyama.la.c[...]
[31] 문서 第一級陸上特殊無線技士無線工学試験　JZ32B
[32] 학술지 進行波管のあらましとTWTアンプの実際 http://www.rf-world.[...] CQ出版 2010-03
[33] 웹사이트 衛星電波を増幅するパワフルな進行波管 http://www.tdk.co.jp[...]


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