고출력 고효율 마그네트론 및 회절 출력 구조 설계 연구

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 고출력 마이크로파 신호원인 상대론적 마그네트론과 전력을 추출하기 위한 회절 출력 구조를 설계하고 그 성능을 분석하였다. 또한, 회절 출력 구조의 구조적 특성상 나타나는 고차 모드인 TE31 모드를 안테나 방사에 적합한 기본 모드인 TE11 모드로 변환하는 모드 변환기들을 설계하였으며, 위상 속도 조절 원리를 사용한 새로운 형태의 모드 변환기를 제안하였다.
상대론적 마그네트론은 그 작은 크기에서 나오는 GW급의 출력 성능으로 현대 사회에서 주목받고 있는 HPM 신호원이다. 본 연구에서는 상대론적 마그네트론의 대표적인 구조인 A6 마그네트론을 상용 전자파 해석 도구인 CST-MWS를 이용하여 설계 및 시뮬레이션 하였다. 먼저, Eigenmode solver를 이용하여 마그네트론의 공진 모드와 주파수를 확인하였으며 Hull 차단 조건과 Buneman-Hartree 조건 기반의 동작점을 적용하여 마그네트론을 안정적으로 모드로 발진시켰다. 설계된 마그네트론에 회절 출력 구조를 적용하여 축 방향으로 전력을 추출한 결과, 단순 원통형 음극 사용 시 1.15GW의 출력 전력과 50%의 효율을 확인하였으며 투명 음극을 사용한 결과 1.5GW의 출력 전력과 62%의 효율로 출력 성능을 확인하였다. TE31 모드를 변환하기 위하여 길이 차이 기반 2종 및 결합 슬롯 기반 1종으로 총 3종의 TE31-TE11 모드 변환기를 설계한 결과, 결합 슬롯 기반 모드 변환기가 변환 효율과 광대역 특성 면에서 높은 성능을 보였다. 마지막으로 ACAE 구조에 적용되는 위상 속도 조절 모드 변환 방식을 회절 출력 구조에 적용한 새로운 모드 변환기 구조를 제안하였으며 90%의 변환 효율과 4.9%의 비 대역폭을 달성하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제2장 마그네트론의 이론적 배경 3
• 2.1 마그네트론의 기본 원리 3
• 2.2 마그네트론의 동작점 4
• 2.2.1 Hull’s cut-off 조건식 4
• 2.2.2 Slow-Wave-Structure 구조 6
• 2.2.3 Buneman-Hartree 조건 10
• 제3장 마그네트론의 설계 및 시뮬레이션 12
• 3.1 ISM 대역 모드 동작 마그네트론 설계 12
• 3.2 A6 마그네트론 형성 모드 및 동작점 13
• 3.3 A6 마그네트론의 동작 시뮬레이션 15
• 3.4 A6 마그네트론의 주파수 천이 현상 17
• 제4장 전력 추출을 위한 회절 출력 구조 설계 22
• 4.1 마그네트론의 에너지 추출 방식 22
• 4.2 수직축 방향 추출 구조물 23
• 4.3 투명 음극을 사용한 회절 출력 구조 30
• 제5장 TE31-TE11 모드 변환기 설계 33
• 5.1 회절 출력 구조의 문제점 33
• 5.2 TE31-TE11 모드 변환 35
• 5.3 길이 차이 기반의 TE31-TE11 모드 변환기 36
• 5.4 결합 슬롯 기반의 TE31-TE11 모드 변환기 43
• 5.5 ACAE 구조에서 사용되는 모드 변환 방식 48
• 5.6 위상 속도 조절 방식의 TE31-TE11 모드 변환 구조 제안 50
• 제5장 결 론 57
• 참 고 문 헌 59
• ABSTRACT 61