High Power Effects in Microwave Filters for Space Applications

Abstract

[ES] Las tendencias actuales en los sistemas de comunicaciones por satélite, que implican la operación en entornos multiportadora, a frecuencias cada vez más elevadas y con mayores exigencias en términos de capacidad de transmisión, hacen necesaria la utilización de mayores niveles de potencia. El incremento de la potencia requerida, unido a la disminución del tamaño de los componentes por el aumento de la frecuencia de trabajo, y por las restricciones en términos de tamaño y peso, estimula la aparición de efectos de alta potencia. Entre estos efectos, que impactan en las prestaciones del sistema, e incluso, en algunos casos, pueden llegar a ser dañinos para los componentes, destacan el efecto multipactor, el efecto corona y la intermodulación pasiva.

De entre todos estos efectos indeseados, esta tesis se ha centrado más en el efecto multipactor. Aunque este efecto rara vez llega a dañar un componente por si mismo, afecta a sus prestaciones y es la antesala del efecto corona, que sí que puede ser extremadamente perjudicial para la integridad del sistema de comunicaciones. %Es por ello por lo que el estudio de estos efectos es de especial relevancia en el campo de las comunicaciones espaciales.

El efecto multipactor ha sido ampliamente estudiado para señales de envolvente constante y empleando modelos simplificados de placas paralelas. Si bien estos modelos son efectivos y permiten calcular una estimación del umbral multipactor de manera rápida, son demasiado conservadores para la situación actual de los sistemas de comunicaciones, donde las capacidades de transmisión requeridas son extremadamente altas.

Debido a la complejidad que presenta estimar el umbral multipactor en los sistemas reales de forma analítica, es habitual recurrir a herramientas de simulación electromagnética combinadas con física de partículas para tratar de calcular estos umbrales. No obstante, aunque estos métodos bien configurados son bastante precisos, requieren de un elevado tiempo computacional, que puede llegar a ser de varias horas o incluso días en dispositivos complejos como filtros o multiplexores.

Es por ello por lo que esta tesis doctoral ha profundizado en el estudio de métodos circuitales, que puedan hacer uso de información electromagnética. Éstos, si bien no resultan tan precisos como las simulaciones de partículas, permiten una estimación rápida del umbral que puede ser de gran ayuda para el diseñador de dispositivos que presenten requisitos de potencia.

No obstante, y dada la complejidad de obtener estos umbrales de forma precisa, es habitual tener que certificar los componentes en un laboratorio previamente a su lanzamiento. En este ámbito, la presente tesis ha contribuido en dos aspectos. En primer lugar, se ha desarrollado una nueva muestra que permite caracterizar los bancos de medidas de multipactor hasta frecuencias en banda Ka. Por otro lado, se ha diseñado íntegramente un conjunto de multiplexores que se han integrado en un banco de ensayo de multipactor con diversas portadoras, dando lugar a un escenario más similar al que se puede encontrar en los sistemas de comunicaciones vía satélite actuales. Además, el diseño de estos multiplexores ha dado lugar al desarrollo de un método sistemático, que ha permitido concebir estos componentes con un alto nivel de precisión y en un tiempo bastante comedido.

Por último, en cuanto al diseño de componentes pasivos de microondas operando a altas frecuencias, esta tesis doctoral ha profundizado en la familia de filtros MHFRW. Estos filtros, por sus propiedades geométricas, son apropiados para aplicaciones de alta potencia y que requieran bajos niveles de PIM. A esta topología, que viene siendo estudiada en los últimos años, se le ha aumentado su capacidad para implementar respuestas superelípticas, es decir, que incluyan más ceros de transmisión que el orden del filtro. Además, es posible conseguir situar los ceros en ubicaciones arbitrarias de manera independiente.

[CA] Les tendències actuals en els sistemes de comunicacions per satèl·lit, que impliquen l'operació en entorns multiportadora, a freqüències cada vegada més elevades i amb majors exigències en termes de capacitat de transmissió, fan necessària la utilització de majors nivells de potència. L'increment de la potència requerida, unit a la disminució de la grandària dels components per l'augment de la freqüència de treball, i per les restriccions en termes de grandària i pes, estimula l'aparició d'efectes d'alta potència. Entre aquests efectes, que impacten en les prestacions del sistema, i fins i tot, en alguns casos, poden arribar a ser nocius per als components, destaquen l'efecte multipactor, l'efecte corona i la intermodulació passiva.

D'entre tots aquests efectes indesitjats, aquesta tesi s'ha centrat més en l'efecte multipactor. Encara que aquest efecte rares vegades arriba a danyar un component per si mateix, afecta a les seues prestacions i és l'avantsala de l'efecte corona, que sí que pot ser extremadament perjudicial per a la integritat del sistema de comunicacions.

L'efecte multipactor ha sigut profundament estudiant per a senyals d'envolupant constant i emprant models simplificats de plaques paral·leles. Si bé aquests models són efectius i permeten calcular una estimació del llindar multipactor de manera ràpida, són massa conservadors per a la situació actual dels sistemes de comunicacions, en què les capacitats de transmissió requerides són extremadament altes.

A causa de la complexitat que presenta estimar el llindar multipactor en els sistemes reals de manera analítica, és habitual recórrer a eines de simulació electromagnètica combinades amb física de partícules per a tractar de calcular aquests llindars. No obstant això, encara que aquests mètodes ben configurats són bastant precisos, requereixen d'un elevat temps computacional, que pot arribar a ser de diverses hores o fins i tot dies en dispositius complexos com a filtres o multiplexors.

És per això que aquesta tesi doctoral ha aprofundit en l'estudi de mètodes circuitales, que puguen fer ús d'informació electromagnètica. Aquests, si bé no resulten tan precisos com les simulacions de partícules, permeten una estimació ràpida del llindar que pot ser de gran ajuda per al dissenyador de dispositius que presenten requisits de potència.

No obstant això, i donada la complexitat d'obtindre aquests llindars de manera precisa, és habitual haver de certificar els components en un laboratori prèviament al seu llançament. En aquest àmbit, la present tesi ha contribuït en dos aspectes. En primer lloc, s'ha desenvolupat una nova mostra que permet caracteritzar els bancs de mesures de multipactor fins a freqüències en banda Ka. D'altra banda, s'ha dissenyat íntegrament un conjunt de multiplexors que s'han integrat en un banc d'assaig de multipactor amb diverses portadores, donant lloc a un escenari més similar al que es pot trobar en els sistemes de comunicacions via satèl·lit actuals. A més, el disseny d'aquests multiplexors ha donat lloc al desenvolupament d'un mètode sistemàtic, que ha permés concebre aquests components amb un alt nivell de precisió i en un temps bastant moderat.

Finalment, quant al disseny de components passius de microones operant a altes freqüències, aquesta tesi doctoral ha aprofundit en la família de filtres MHFRW. Aquests filtres, per les seues propietats geomètriques, són apropiats per a aplicacions d'alta potència i que requerisquen baixos nivells de PIM. A aquesta topologia, que és estudiada en els últims anys, se li ha augmentat la seua capacitat per a implementar respostes superel·líptiques, és a dir, que incloguen més zeros de transmissió que l'ordre del filtre. A més, és possible aconseguir situar els zeros en ubicacions arbitràries de manera independent. Aquest fet aporta una gran flexibilitat al dissenyador i a més permet obtindre elevats nivells de rebuig, donant lloc a una família de filtres ideals per a diverses aplicacions.

[EN] Current trends in satellite communications systems, involving operation in multi-carrier environments at increasingly higher frequencies and with higher demands in terms of transmission capacity, make it necessary the use of higher power levels. The power increase, along with the footprint reduction due to the increase in operating frequency and the restrictions regarding component size and weight, stimulates the ignition of high-power effects. Among these effects, which impact system performance and, in some cases, can even be harmful to the components, are the multipactor effect, the corona effect and passive intermodulation.

From all of these undesired effects, this thesis has focused in more extent on the multipactor effect. Although this effect in itself rarely causes physical damage to the component, it can affect to its performance and is the prelude to the corona effect, which can be extremely damaging to the integrity of the communications system.

The multipactor effect has been widely studied for constant envelope signals and using simplified parallel plate models. While these models are effective and allow obtaining a fast estimate of the multipactor threshold, they are too conservative for today communications systems, where the required transmission capacities are extremely high.

Due to the complexity of estimating the multipactor threshold in real systems analytically, it is common to resort to electromagnetic simulation tools combined with particle physics to try to calculate these thresholds. However, although these methods, once they are well-configured, are pretty accurate, they are also computationally time-consuming, in the order of several hours or even days for complex devices such as filters or multiplexers.

This is why this doctoral thesis has focused on studying circuit methods, which can also take profit of electromagnetic information. Although these methods are not as accurate as particle simulations, they allow a quick estimation of the threshold that can significantly help the designer of microwave devices with power requirements.

However, given the complexity of obtaining these thresholds accurately, it is common to have to certify the components in a laboratory prior to their launch. This thesis has contributed in two aspects to this area. Firstly, a new sample has been developed to characterise multipactor measurement benches up to Ka-band frequencies. On the other hand, a set of multiplexers has been fully designed and integrated into a multipactor test bench with different carriers, resulting in a scenario more similar to the one found in real satellite communication systems. In addition, the design of these multiplexers has led to the development of a systematic methodology, which has made it possible to design these components with high accuracy and in a relatively short time.

Last but not the least, regarding the design of passive microwave components operating at high frequencies, this doctoral thesis has delved into the MHFRW family of filters. These filters, due to their geometric properties, are appropriate for high power applications that require low levels of PIM. This topology, which has been studied in recent years, has been enhanced by increasing its capacity to implement super-elliptic responses, namely responses including more transmission zeros than the order of the filter. In addition, it allows to place the zeros in arbitrary locations independently. This provides great flexibility to the designer and also allows high rejection levels to be obtained, giving rise to a family of filters ideal for various applications, ranging from filters for satellite payloads to the implementation of multiplexers for passive intermodulation measurement test beds.