다음은 이제 없어지는 기술로 여겨진 TWT에 대해서 고유의 효율성과 안정성을 바탕으로 새로운 요구도에 맞게 TWT가 진화하고 있다는 내용의 기사입니다.
개요
전자 공격(EA)과 레이다 시스템에서 80여 년 동안 TWT(Traveling Wave Tubes)를 사용해 왔으나 많은 엔지니어들은 이제 이 기술은 미래가 없다고 보고 있다.
그러나 자세히 들여다보면 또 다른 이야기가 밝혀진다.
이 기술은 미래의 밀리미터파 전력을 생성하는데 관련이 있을 뿐만 아니라 가장 좋은 선택이 될 수 있다.
이러한 재등장은 더 높은 전력을 요구하고, 더 높은 효율성, 그리고 높은 주파수 대역에 대한 요구에 의한 것이며 이는 TWT만이 할 수 있는 고유 영역이기도 하다.
TWT의 재등장은 기술적 트렌드가 아니고 실질적인 필요성 때문이다.
많은 기존의 RF와 EW에서의 마이크로파 TWT 응용을 제외하고, 레이다와 SatCom, 떠오르는 밀리미터파 대역(30~300 GHz)은 통신(5G)과 레이다(미사일 시커), 그리고 EW(밀리미터파 대역에 대한 EA)를 포함하며 이러한 분야는 작고 높은 효율성의 전력 증폭기를 요구한다.
TWT 기술은 이러한 주파수 대역에서의 동작에 잘 맞는다고 할 수 있다.
또 다른 TWT 시장은 우주 플랫폼이며 특히 높은 처리량의 위성들은 많은 TWT 증폭기들을 조합하여 높은 주파수 대역에서 우수한 효율의 광대역 송신기를 구성한다.
이는 실제로 Ka 대역 이상이며 이 대역은 우리가 사용하지 않는 많은 스펙트럼이 존재한다.
상업용과 군사용 위성 모두 늘어나는 데이터로 인해 mmW 주파수 대역에서의 운용에 대한 요구가 커지고 있다.
TWT의 취약점
TWT의 가장 취약한 부분은 운용 수명이 반도체 보다 짧다는 것이며 특히 환경적인 요소도 크게 작용한다.
또 다른 취약점은 크고 무거워서 작고 가벼운 구성품이 요구되는 분야 특히 이동성이나 우주 탑재체 시스템에는 적합하지 않을 수 있다는 것이다.
또한, TWT 증폭기는 전자 빔을 만들어내기 위해 킬로볼트의 DC 전력을 필요로 하며 이는 큰 구성품과 배선이 필요하다.
TWT 증폭기는 완전한 작동 기능을 하기까지 "warm up"이 필요하다는 단점도 있다.
이는 거의 실시간이 요구되는 EW와 레이다 시스템 분야에 있어서 문제가 된다.
끝으로 TWT는 samarium과 cobalt와 같은 지구 금속 자원과 iron, copper, 그리고 zirconium 등의 자원 또한 사용되며 이들 중 일부는 전기 자동차와 같은 다른 분야에서도 필요로 하기 때문에 매우 비싸거나 구매가 어려운 경우가 있다.
그러나 이러한 것들이 모두 정확하지는 않다.
예를 들면, TWT는 초기 NASA 우주선의 통신 시스템에 적용되었으며 이는 TWT의 운영 수명이 짧다는 것과 모순된다.
1977년 NASA에서 발사한 Voyager 2 우주선은 여전히 NASA의 Deep Space Network 안테나에 데이터를 보내고 있다.
이제는 우주선이 발사되고 48년이 넘게까지 무선 메시지를 전송할 것으로 기대되고 있다.
1990년에 발사된 Hubble 망원경은 S 밴드와 Ku 밴드 TWT를 사용하며 33년이 지나서까지 여전히 지구와 통신을 하고 있다.
이러한 예들은 TWT가 적용된 많은 deep space 임무의 일부에 불과하다.
모든 TWT가 무겁지 않으며 특히 마이크로파 전력 모듈인 MPM(Microwave Powr Module)에 사용된 것과 밀리미터파 TWT는 주파수가 증가함에 따라 크기가 작아진다.
높은 전압을 필요로 한다는 것을 고려했을 때, 많은 응용 분야에서 수백 볼트만을 요구하는 곳에 이러한 TWT가 사용된다.
미니-TWT는 낮은 볼트에서 운영되는 MPM에 적용된다.
게다가 TWT의 warn-up 시간은 수년간 약 1초 정도로 줄여졌으며 cold cathode의 TWT는 warm-up 시간이 거의 0에 가까울 것이다.
끝으로 TWT가 많은 범위의 메탈 자원을 필요로 하지만 그 사용량은 작으며 진공관 산업계의 전체 소모량은 전기 자동차 시장의 요구에 비하면 매우 작다고 할 수 있어서 극적인 공급망의 붕괴는 일어나지 않을 것이다.
TWT 정의
TWT는 전자총(electron gun), slow-wave 구조, RF 신호의 입출력 포트, collector와 magnetic focusting 시스템으로 구성되며 이 모든 것은 진공관으로 덮여있다.
전자총은 slow-wave 구조를 통해 magnetic focusing 시스템으로 향하는 높은 속도의 전자 빔을 만들어낸다.
"Slow-wave"란 용어는 전자기파의 속도가 slow-wave 구조에 의해 빛의 속도 대비 의도적으로 줄게 했다는 것이며 효과적인 지연선로 역할을 한다.
Slow-wave 구조는 helix나 coupled cavities, 또는 다른 periodic 구조로 되어 있으며 RF 신호의 위상 속도를 줄여 전자 빔의 속도에 맞추도록 설계된다.
이러한 동기화는 전자와 RF 에너지 간의 연속적인 에너지 교환을 가능하게 한다.
몇몇의 경우에는 감쇠기를 slow-wave 구조에 추가하여 후방으로의 파를 억누르고 TWT의 안정성을 높이기도 한다.
일반적으로 손실이 큰 세라믹 재질로 만들어지며 slow-wave 구조의 끝단 입력부 근처에 배치한다.
비록 coupled cavity와 helix 형태가 대부분 사용되지만 일부의 slow-wave 구조 형태는 TWT를 만들기도 한다.
후자의 두 가지의 기본적인 차이점은 coupled cavity 형태는 연속적인 공명 cavities들로부터 형성된 slow-wave 구조를 사용하지만 반면에 helix 형태는 단단하게 감싸진 helical 코일 전선을 사용하며 일반적으로 구리나 텅스텐으로 만들어지고 튜브의 길이 방향으로 위치한다.
Coupled cavity TWT는 메가와트 수준의 매운 높은 RF 전력을 생산할 수 있으며 helix TWT는 2.5 kW나 그보다 작은 전력을 생성할 수 있다.
MPM
GaAS(Gallium arsenide)와 이후의 GaN(Gallium nitride)이 RF 전력 트랜지스터로 떠오르면서 이러한 반도체 RF 전력 증폭기와 TWT가 결합하여 서로의 장점을 발휘하는 형태가 가능해졌다.
그래서 미해군 연구소는 Northrop Grumman사와 같은 산업계와 협업하여 기존의 TWT 증폭기보다 훨씬 작은 MPM 증폭기를 개발하였다.
MPM은 반도체 전력 증폭기인 SSPA와 진공 전력 부스터인 소형 TWT, 그리고 전력 공급과 증폭기의 기능 제어를 담당하는 마이크로프로세서 제어 스위치 모드 전력 공급기로 구성된다.
먼저 RF 신호는 MPM으로 들어오면 SSPA에 의해서 증폭되고 이후에 진공 전력 증폭기로 들어가 여기서 더욱 큰 전력으로 증폭되는 방식이다.
즉, SSPA는 효율이 높고 선형성을 갖는 초기 증폭을 담당하고 이후 TWT는 마지막 증폭을 담당하는 것이다.
큰 TWT와 비교했을 때에 진공 전력 부스터는 더 낮은 전압에서 동작하며 전력 공급기의 크기와 복잡도를 떨어뜨릴 수 있다.
MPM은 매우 유명해졌으며 작은 크기로 인해 공중이나 해상, 지상 기반의 레이다 시스템의 SWaP가 제한적인 분야에 활용된다.
더 높은 주파수로의 도전
밀리미터파와 더 높은 주파수에서의 운용 트렌드는 TWT가 앞으로 어떨게 제조될 것인지를 정의할 것이다.
왜냐하면 주파수가 증가할수록 TWT의 구성품은 더욱 작아져야 하기 때문이다.
이는 수십 년간 사용해 온 제조 기술과 매칭 장비들이 마이크로미터 범위 이내의 정확도를 갖기 위해서 반도체 제조에서 많이 사용되는 마이크로 매칭 장비들로 변경되어야 함을 의미한다.
크기를 줄이는 문제에 대한 한 가지 해결방안은 현재 연구 중에 있는 folded-도파관 slow-wave 구조이다.
이 folded-도파관 slow-wave 구조는 접혀 있거나 또는 뱀 모양의 도파관 구조로 구성되며 실질적인 길이는 줄이면서 RF 에너지의 길이는 증가할 수 있는 효과적인 구조이다.
이러한 형태의 장점은 높은 전력을 다룰 수 있고 우수한 열 전도성을 갖으며 helices나 coupled cavities와 같은 slow-wave 구조보다 상대적으로 제조가 단순하다는 것이다.
이들은 3D 프린팅이나 정밀 매칭과 같은 요즘의 제조 기술을 사용하여 쉽게 만들어낼 수 있다.
과거의 도파관은 RF 신호가 일직선의 경로를 따라 전파되며 위상 속도는 도파관의 면적과 운영 주파수에 따라 결정되었다.
Folding 도파관은 RF 신호의 효과적인 경로 길이를 증가시키며 도파관의 면적 변경 없이 위상 속도를 줄일 수 있다.
전자 빔 속도는 높은 주파수에서 파의 위상 속도와 일치되기 위해서 반드시 줄어들어야 한다.
Folded 도파관은 다른 형태의 slow-wave 구조들보다 더욱 큰 위상 속도의 감속을 만들어낼 수 있기 때문에 빔과 전자기파의 동기화를 쉽게 할 수 있다.
Folded 도파관 구조는 일반적으로 연속된 슬롯들이나 cavities들을 매칭하여 메탈 블록 안에 넣어 형성한다.
이러한 슬롯들은 이후 짧은 도파관 부분들에 의해 연결되고 RF 신호의 연속되고 접힌 경로를 만들어낸다.
슬롯의 면적과 연결 도파관 부분들은 원하는 위상 속도와 임피던스 특징을 유지하기 위해 정밀하게 설계된다.
그러나 folded 도파관은 몇몇 제한점들이 있다.
그것은 helix 구조보다 일반적으로 좁은 대역폭을 갖는다는 것이며, 분산된 특성은 TWT의 최대 이득과 효율에 제한을 가져온다는 것이다.
높은 주파수에서의 제조 문제
앞에서 주목했던 바와 같이, 높은 주파수 대역에서의 기회들을 이용하기 위해서는 TWT 제조사들이 새로운 제조 기술을 개발해야 한다.
TWT는 또한 더 많은 수량을 필요로 할 것이고 이는 생산이 더욱 효율성을 가져야 함을 의미한다.
dB Control사의 마케팅 부사장인 Mike Lee는 다음과 같이 말했다.
"TWT 제조는 항상 노동력 집중의 공정이었고 이것은 높은 주파수 대역에서 더욱 도전적인 문제가 될 것이다.
왜냐하면 모든 것이 더욱 작아지고 더 높은 정밀도의 매칭이 요구되기 때문이다."
몇몇 회사들은 TWT 부품을 만드는데 새로운 제조 기술을 개발하고 있다.
Diana Gamzina 박사에 의해 2020년 설립된 Elve사는 진공 전자 장치 제조를 위한 구성품과 제조 기술에 있어서 6개의 특허를 가지고 있다.
"밀리미터파 대역과 테라헤르츠 주파수 대역에 대한 요구는 상업이나 군용에서 모두 필요로 한다는 것은 명백하다.
그리고 오늘날 전력과 효율성을 시연할 수 있는 유일한 기술은 TWT이다.
Elve 사는 저비용으로 이 기술을 시장성 있게 만드는 것에 집중하고 있으며 이를 위해서는 전자 에미터와 회로 제조, 전력 공급기, 그리고 장치 설계와 구조에 있어서 혁신이 필요하다."
다른 혁신적인 접근법들 중에서 이 회사는 NST(Nanocomposite Scandate Tungsten) 에미터(cathodes)를 적용한 TWT 설계와 제조 기술을 개발했으며 낮은 온도에서의 더욱 효율적인 전자 방출을 제공한다.
텅스텐은 scandium oxide에 떨어뜨리고 이는 전자 방출 성질을 강화하여 더 낮은 work 기능과 더 높은 방출 전류 밀도를 얻을 수 있다.
게다가 이들은 낮은 온도에서 동작하며 이는 효율성과 수명을 높여준다.
Gamzina 박사는 첫 12:1 비율의 높은 전류 밀도 빔 전자총을 NST cathodes를 이용하여 설계하였다.
Elve 사는 현재 9 lb 무게와 9 x 6 x 3 in 크기 그리고 28 VDC 입력을 받는 TWT를 개발하여 팔고 있다.
이 TWT의 운용 주파수와 RF 출력 전력, 효율 범위는 29~31 GHz 대역에서 100W 출력과 49%의 효율을 갖으며 37.5~43.5 GHz 대역에서 25W, 46%의 효율, 47~52 GHz 대역에서 100W 및 40%의 효율, 92~96 GHz 대역에서 100W 출력과 31%의 효율을 갖는다.
또 다른 회사인 Teraphysics사는 오하이오주 클리브랜드에 위치하며 밀리미터파 대역과 테라헤르츠 대역에서의 TWT 설계 문제를 해결하기 위해 수년간 연구를 하고 있다.
이 회사는 NASA의 엔지니어들에 의해 2006년에 설립되었다.
Teraphysics사는 E 밴드 스펙트럼의 71~86 GHz에서 동작하는 소형 고출력 TWT를 개발하였다.
이 TWT의 크기는 명함 정도 되며 무게는 1파운드도 안된다.
이 TWT는 수십에서 수백 와트의 선형 전력 생산 능력을 시연하였다.
Helix 제조 절차는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 다이아몬드에 의해 지지되는 마이크로단위의 helix로 구성된다.
이것은 W 대역 (90~100 GHz)과 E 대역 (71~86 GHz) TWT 회로체에 적합하며 helix 제조 절차는 이를 모듈화 하고 떼어낼 수 있도록 한다.
Helical과 folded-도파관 버전이 개발되고 랩에서 시연을 수행하였다.
L3Harris Technologies사로부터 설립된 Stellant Systems사는 세계에서 가장 널리 알려진 진공 전자 장치 개발 그룹이다.
이 회사는 최근에 Comtech Corporation의 PST(Power Systems Technology) 생산 라인을 확보하여 반도체 전력 증폭분야에 더 많은 리소스를 얻게 되었다.
Stellant사의 수석 임원인 Stephen Shpock는 다음과 같이 말했다.
" TWT는 우리의 포트폴리오에 있어서 중요한 제품군이며 우리는 또한 다른 튜브들도 제조하고 있다.
예를 들면, 직접 에너지 무기에 사용되는 마그네트론을 여전히 제공하고 있으며 이는 단일 주파수에서 비교적 단순하고 낮은 전압으로 메가와트급의 출력을 얻을 수 있다.
우리는 연속적인 제품을 만들 수 있으며 이는 빠르게 대 UAS 시스템을 얻는데 중요한 역할을 할 것이다.
중요한 효율성
증폭기의 효율성은 모든 증폭기의 성능을 정의하는 데 있어서 가장 중요한 파라미터 중 하나이다.
높은 효율성은 특정 RF 출력 전력을 만드는 데 있어서 더 적은 DC 전력을 요구한다.
이는 공중과 우주 플랫폼에 있어서는 매우 중요한 요소이다.
TWT 제조사들은 이 문제를 해결하기 위한 발전된 방법들을 만들어내고 있으며 그중에는 collector의 단계들을 증가시키는 방법이 있다.
각 단계는 장치의 전체적인 증폭에 기여한다.
그 결과 TWT는 3단계에서 4단계 혹은 5단계의 collector로 발전했다.
dB Control사의 Lee는 다음과 같이 말했다.
"비록 작게나마 효율성이 증가했더라도 이는 플랫폼의 크기와 무게, 그리고 전력에 많은 긍정적인 영향을 줄 수 있다.
과거에 TWT의 효율성은 20% 수준이었으나 현재는 두 배가량 증가하였다. "
TWT란 성배
1960년대 이후 개발된 또 다른 TWT는 cold cathodee 형태이며 상업화하려는 노력이 별로 없었다.
만약 이러한 노력이 성공했더라면 결과는 상당히 달라졌을 것이다.
Cold cathod TWT는 기존의 열이온성 cathode TWT와 같은 가열된 전자-emitting cathode에 의존하지 않으며 그래서 기존의 TWT가 약 1000°C의 온도에서 동작하는 반면에 이 TWT는 상온에서 동작이 가능하다.
기존 TWT의 cathode는 운용 온도까지 도달하기 위한 시간이 필요했으며 이는 시간이 중요한 분야에서는 단점이 되었다.
Cathode를 가열할 필요가 없어지면 warm-up 타입이 거의 0에 가깝게 되고 이는 거의 실시간 대응이 필요한 전자전 시스템 분야에서 큰 장점이 될 수 있다.
cold cathode TWT를 현실화하는 데 있어서 가장 큰 걸림돌은 항상 신뢰성이었으며 cathode는 1 제곱 밀리미터 크기의 실리콘 기판 위에 증착된 수 천 개의 작은 molybdenum cone으로 구성되어 있다.
구조와 얇은 전극 내의 높은 전계는 게이트와 많은 cone들 중 하나와 전기적 단락을 일으킨다.
만약 이 일이 발생하면, 전체 배열은 타고 장치는 치명적인 고장이 발생한다.
전계 방출을 사용하면 히터가 필요 없을 수 있지만, 고출력의 TWT에서 사용할 수 있을 만큼 충분히 높은 전자 흐름 밀도를 달성하기가 어렵다.
에미터 형상과 work function의 변화는 일정치 않은 방출을 만들고 이는 TWT의 전체적인 성능에 영향을 준다.
운영 수명 동안 작은 크기의 장치 내의 진공 레벨을 유지하는 것 또한 매우 도전적인 과제이다.
시간이 지날수록 누수에 의한 가스의 부족으로 인해 진공이 감소하게 되어 TWT의 성능에 영향을 줄 수 있다.
게다가, 일정한 에미터를 통해 신뢰성 있는 cold cathode를 만드는 복잡한 제조 공정은 복잡도와 비용을 증가시킨다.
예를 들면, CNT(Carbon nanotube) cold cathode는 상대적은 낮은 전기장에서 높은 전류 밀도를 발산할 수 있다.
이는 효율적인 전자 방출을 가능하게 하고 이는 TWT의 성능에 매우 중요한 부분이다.
전자 방출을 위해 높은 온도를 요구하는 열이온 cathode와는 다르게 CNT cold cathode는 거의 실내 온도에서 동작할 수 있다.
이것은 전력 소모와 열 관리 요구도를 줄여주며 더욱 효과적이고 신뢰성 있는 TWT 운영을 가능하게 한다.
TWT의 미래
TWT는 시대착오적일 수 있다.
1933년 Andrei Haeff이 이 기술을 개발했고 1942년 Rudolph Kompfner가 처음으로 제품화 한 이후에 오늘날까지 살아있는 사람은 거의 없다.
이후 약 90년이 지난 지금 수백 개의 장치와 기술이 개발되고 없어지면서 TWT가 오늘날까지 동작되고 있다는 것은 주목할만한 성과이다.
더욱 인상 깊은 점은 이 기술이 단순히 살아있을 뿐만 아니라 계속해서 진화하고 있다는 것이다.
TWT 기술의 성과는 몇몇 개의 핵심 분야에 초점을 두고 있다.
여기에는 소모전력을 줄이기 위해 효율을 높이고 광대역 주파수 커버를 위해 대역폭을 늘렸으며 깨끗한 신호 증폭을 위해 선형성을 강화했고 이 장치의 운영 수명을 확장한 것을 포함하고 있다.
테라헤르츠 통신과 우주 기반의 응용 분야가 주목을 끌면서 TWT는 독특한 기능을 발휘할 수 있는 분야에서 새로운 기회를 찾게 될 것이다.
Cold cathode TWT에 대한 계속되는 연구는 결국 기존의 뜨거운 cathode에 대한 필요성을 줄이고, 시작 시간에 대한 장점을 제공하며 신뢰성을 높이고 전력요구를 줄일 수 있는 획기적인 제품이 생산될 것이다.
고전력에 대한 요구와 광대역 및 신뢰성 있는 마이크로파 증폭의 요구가 계속됨에 따라 TWT는 앞으로의 도전과제를 만족시킬 혁신이 이뤄질 것이라는 것에는 믿어 의심치 않다.
모델링과 시뮬레이션의 중요성
TWT는 상호작용하는 많은 부품들과 함께 매우 복잡한 장치이며 그 성능을 예측하기가 어렵기 때문에 모델링과 시뮬레이션은 TWT의 설계에 있어서 매우 중요하다.
TWT를 물리적으로 제조하기 이전에 시뮬레이션과 예측을 할 수 있는 능력은 설계자들로 하여금 여러 프로토타입을 만들고 시험하는 데 걸리는 시간을 줄여준다.
또한, 입력 전력 수준이나 출력 주파수, 온도나 진동과 같은 환경적인 요인에 따른 장치의 반응을 연구할 수 있다.
이러한 정보는 설계를 최적화할 수 있게 해 주고 원하는 성능 요구도를 만족할 수 있는 설계를 가능하게 해 준다.
모델링 소프트웨어는 TWT를 통과하는 전자 빔의 궤적을 시뮬레이션해줄 수 있다.
이 정보는 TWT의 최대 효율 설계를 가능하게 해 주고 빔 차단을 피할 수 있게 해 준다.
또한 TWT의 전자기장을 시뮬레이션하고 전자 빔과 전자기장 간의 상호작용을 이해할 수 있다.
Particle과 Cell 코드는 플라즈마나 관련돤 시스템 내에서 전자와 이온, 전자기장의 행동을 모델링해준다.
PIC 기법은 공간을 격자나 메쉬로 만들고 전자기장을 풀며, particles들은 디스크리트로 다뤄진다.
Particles들은 전자기장의 영향 속에서 격자를 통과하며 이들의 충전과 전류 밀도는 이 필드를 계산하는 데 사용된다.
반면에 Cell 코드는 격자나 메쉬화된 전자기장 방정식을 푸는데 초점을 둔 수치 시뮬레이션이다.
이 코드는 주로 각 공간이나 볼륨에서 전자기장 모델링을 위해 사용되고 particle 코드와 병합하여 충전된 particles들을 시뮬레이션한다.
과거에는 상대적으로 단순한 모델도 높은 주파수 대역에서 많은 계산이 포함되므로 몇 주가 걸리곤 했다.
그러나 컴퓨팅과 코딩의 발전으로 이제는 매우 빠르고 저렴하게 이러한 시뮬레이션이 가능하다.
출처 : The Journal of Electromagnetic Dominance, July 2024
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