Advanced Techniques for the Characterization and Experimental Validation of Passive Inter-Modulation Effect (PIM) in Space Communications Systems

Abstract

[ES] Los satélites de telecomunicación operan en entornos multiportadora, bajo una demanda continua de mayores capacidades de transmisión. Esto ha originado un aumento en los niveles de potencia de RF, frecuencias de trabajo, y número de canales transmitidos, estimulando la aparición de efectos no lineales de alta potencia, como Multipactor, Corona, y la Intermodulación Pasiva (PIM). Entre los efectos anteriores, el PIM es el menos comprendido, debido a su carácter no lineal y su estrecha relación con la fabricación, lo que dificulta el desarrollo de modelos fiables. Los términos de PIM generados en el enlace descendente pueden interferir a la débil señal en el canal de recepción, amenazando la capacidad de recepción del enlace ascendente. Los modelos tradicionales de PIM suelen basarse en una excitación formada por dos portadoras. Aunque se trata de un caso simple y bastante representativo, presenta diferencias importantes con el escenario real multiportadora. El trabajo de este Ph.D. intenta reducir estas diferencias. Para lograrlo, se realizan dos nuevas contribuciones de relevancia para las condiciones reales de operación de los satélites. En concreto, se ha investigado de forma teórica el rol de las fases de las portadoras en el PIM, y se ha propuesto un nuevo modelo que tiene en cuenta el efecto de las portadoras no contribuyentes en un cierto término de PIM, aplicando un nuevo principio de conservación de energía. Los resultados obtenidos con ambos modelos teóricos se ajustan a los datos experimentales. Debido a la compleja naturaleza del PIM, la validación de los componentes de RF de satélites se realiza mediante tests. Por lo tanto, la disponibilidad de bancos de medida de PIM es un tema de interés para la industria espacial. Sin embargo, el diseño de bancos de altas prestaciones es un desafío, ya que su nivel de PIM debe ser inferior al requerido para validar los dispositivos. Para hardware de satélites, la diferencia entre el nivel de las portadoras a transmitir y la señal de RF a detectar es como 185 dBc. En este Ph.D. se proponen unas nuevas arquitecturas integradas de bancos de PIM en guía de ondas, que cubren tanto el PIM conducido como el radiado. Dichas arquitecturas permiten una reducción importante del nivel de PIM residual del sistema de medida, siendo flexibles, capaces de manejar elevados niveles de potencia, y libres de resonancias e interacciones indeseadas. Los elementos claves de estos bancos son unos multiplexores de bajo PIM, que pueden incorporar dos familias de filtros que admiten un elevado número de ceros de transmisión, y por tanto, son capaces de proporcionar un elevado rechazo en la banda de recepción del PIM. Los bancos de medida de PIM conducido por onda reflejada, sin embargo, están expuestos al PIM generado por la carga empleada para absorber las portadoras de alta potencia. Para resolver esta situación, se han propuesto unas nuevas cargas de bajo PIM, que reducen el PIM residual de estos sistemas de medida. Así mismo, se ha elaborado un nuevo tipo de transición para mitigar el PIM respecto a flanges estándar. Para escenarios radiados se ha desarrollado una formulación capaz de relacionar densidades de potencia en el dispositivo bajo test con los niveles detectados en el banco de medida, y que por tanto permiten trasladar especificaciones de PIM del satélite al sistema de medida. Por último, se han mostrado varias campañas de medida de PIM realizadas con bancos implementados acorde a las nuevas arquitecturas propuestas. Las medidas cubren varias bandas de frecuencia y diferentes escenarios (tanto PIM conducido como radiado). Se ha determinado el excepcional nivel de fondo de ruido de PIM logrado en cada banco. Además, se han mostrado resultados obtenidos para medidas de PIM radiado en capas aislantes multicapa y mallas reflectoras, obteniendo interesantes conclusiones en cuanto a geometrías y impacto que tienen en el PIM elementos como los bordes serrados y los remaches.

[CA] Els satèl·lits de telecomunicació operen en entorns multiportadora, sota una demanda contínua de majors capacitats de transmissió. Això ha originat un augment en els nivells de potència de *RF, freqüències de treball, i nombre de canals transmesos, estimulant l'aparició d'efectes no lineals d'alta potència, com *Multipactor, Corona, i la Intermodulació Passiva (*PIM). Entre els efectes anteriors, el *PIM és el menys comprés, a causa del seu caràcter no lineal i la seua estreta relació amb la fabricació, la qual cosa dificulta el desenvolupament de models fiables. Els termes de *PIM generats en l'enllaç descendent poden interferir al feble senyal en el canal de recepció, amenaçant la capacitat de recepció de l'enllaç ascendent. Els models tradicionals de *PIM solen basar-se en una excitació formada per dues portadores. Encara que es tracta d'un cas simple i bastant representatiu, presenta diferències importants amb l'escenari real multiportadora. El treball d'aquest *Ph.D. intenta reduir aquestes diferències. Per a aconseguir-ho, es realitzen dues noves contribucions de rellevància per a les condicions reals d'operació dels satèl·lits . En concret, s'ha investigat de manera teòrica el rol de les fases de les portadores en el *PIM, i s'ha proposat un nou model que té en compte l'efecte de les portadores no contribuents en un cert terme de *PIM, aplicant un nou principi de conservació d'energia. Els resultats obtinguts amb tots dos models teòrics s'ajusten a les dades experimentals. A causa de la complexa naturalesa del *PIM, la validació dels components de *RF de satèl·lits es realitza mitjançant tests. Per tant, la disponibilitat de bancs de mesura de *PIM és un tema d'interés per a la indústria espacial. No obstant això, el disseny de bancs d'altes prestacions és un desafiament, ja que el seu nivell de *PIM ha de ser inferior al requerit per a validar els dispositius. Per a maquinari de satèl·lits , la diferència entre el nivell de les portadores a transmetre i el senyal de *RF a detectar és com 185 *dBc. En aquest *Ph.D. es proposen unes noves arquitectures integrades de bancs de *PIM en guia d'ones, que cobreixen tant el *PIM conduït com el radiat. Aquestes arquitectures permeten una reducció important del nivell de *PIM residual del sistema de mesura, sent flexibles, capaces de manejar elevats nivells de potència, i lliures de ressonàncies i interaccions indesitjades. Els elements claus d'aquests bancs són uns multiplexors de baix *PIM, que poden incorporar dues famílies de filtres que admeten un elevat nombre de zeros de transmissió, i per tant, són capaces de proporcionar un elevat rebuig en la banda de recepció del *PIM. Els bancs de mesura de *PIM conduït per ona reflectida, no obstant això, estan exposats al *PIM generat per la càrrega emprada per a absorbir les portadores d'alta potència. Per a resoldre aquesta situació, s'han proposat unes noves càrregues de baix *PIM, que redueixen el *PIM residual d'aquests sistemes de mesura. Així mateix, s'ha elaborat un nou tipus de transició per a mitigar el *PIM respecte a *flanges estàndard. Per a escenaris radiats s'ha desenvolupat una formulació capaç de relacionar densitats de potència en el dispositiu sota test amb els nivells detectats en el banc de mesura, i que per tant permeten traslladar especificacions de *PIM del satèl·lit al sistema de mesura. Finalment, s'han mostrat diverses campanyes de mesura de *PIM realitzades amb bancs implementats concorde a les noves arquitectures proposades. Les mesures cobreixen diverses bandes de freqüència i diferents escenaris (tant *PIM conduït com radiat). S'ha determinat l'excepcional nivell de fons de soroll de *PIM reeixit en cada banc. A més, s'han mostrat resultats obtinguts per a mesures de *PIM radiat en capes aïllants multicapa i malles reflectores, obtenint interessants conclusions quant a geometries i impacte que tenen en el *PIM elements com les vores serrades i els reblons.

[EN] Modern satellite payloads operate in multicarrier scenarios, under a continuous demand for higher capacity links. This leads to an increase in the RF power levels, frequency of operation, and the number of transmitted channels, thus stimulating non-linear high-power effects, such as Multipactor, Corona, thermal issues and Passive Inter-Modulation (PIM). Among the above-mentioned phenomena, PIM is the less studied, or, at least, understood. This is due to its extreme non-linear nature and its close relation to workmanship, which make very difficult the development of models able to faithfully predict and explain PIM degradation. PIM terms, once ignited in the downlink, may interfere the weak signal to be detected in the uplink channel, thus threatening the payload throughput. Traditional PIM models are based on a two-carriers excitation. This is a simple and quite representative case, but has significant differences with the real multi- carrier scenario. This Ph.D. thesis work tries to diminish this gap by two novel contributions of relevance for real operation conditions. Firstly, the role of the carrier phases (neglected for two-carriers excitation) has been theoretically investigated. Secondly, a new model to account for the effect of non-contributing carriers for a given PIM term has been developed, which is based on a novel energy conservation assumption. The resulting models fit to experimental data. Due to the complexity of PIM modeling, PIM validation of RF components is conducted only by testing. The availability of low PIM test set-ups is therefore of great interest for the space industry. However, the design of low PIM test benches is challenging, as their intrinsic residual PIM has to be below the one requested to validate the test devices. For satellite hardware, the dynamic range between the RF power levels of the transmission carriers and the signal to be detected may be 185 dBc. During this Ph.D. thesis work, novel integrated test bed architectures in waveguide technology, both for conducted and radiated PIM scenarios, have been developed. These architectures consent a mitigation of the residual PIM of the test facility, being at the same time flexible, free from unwanted interactions and spurious resonances, and able to withstand considerable RF power levels for the transmission carriers. The key elements of these set-ups are the low PIM multiplexers, which may integrate two new families of waveguide filters able to provide a high number of transmission zeros, and therefore a high rejection, in the PIM reception channel. The test benches conceived for measuring conducted backward PIM, however, are normally unprotected from the PIM generated by the termination absorbing the high-power transmission carriers. To alleviate this situation, a new type of low PIM terminations in waveguide technology has been proposed and verified with PIM tests, showing a clear benefit in mitigating the residual PIM of the test facilities. Moreover, novel transitions able to improve the PIM performance of standard flanges have also been conceived. Finally, and with regard to radiated scenarios, a novel formulation able to convert payload PIM specifications to a practical PIM test is proposed. This formulation consents to link the power flux densities at the device under test (DUT) with the RF power levels measured by the test bench. Last, a large class of PIM measurements carried out with the novel test bed architectures have been reported. These measurements cover several frequency bands (C-, Ku-, K- and Ka) and different PIM scenarios, both conducted and radiated. The exceptional residual PIM noise floor of each test bed will be pointed out. In addition, PIM tests on an anechoic chamber facility, multi-layer insulation blankets (MLIs) and reflector mesh samples are presented, with interesting considerations about the geometry of the structure and the impact on the PIM performance of typical elements as sawing areas and rivets.