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Resumen:
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El efecto multipactor de ruptura en RF ha sido objeto de numerosos estudios desde
hace más de 80 años, a partir del desarrollo de los primeros aceleradores de partículas en
la primera mitad del siglo XX. A mediados de ...[+]
El efecto multipactor de ruptura en RF ha sido objeto de numerosos estudios desde
hace más de 80 años, a partir del desarrollo de los primeros aceleradores de partículas en
la primera mitad del siglo XX. A mediados de ese siglo, con el desarrollo de fuentes de alta
potencia para aplicaciones radar y la llegada de los satélites artificiales, la investigación del
multipactor cobró una considerable relevancia, al convertirse este fenómeno en un riesgo
determinante para costosos proyectos comerciales. Las guías de onda con secciones rectas
canónicas, como las rectangulares o las coaxiales, han sido tradicionalmente las más utilizadas
en dispositivos de microondas. Sus principales ventajas son que sus campos electromagnéticos pueden resolverse analíticamente, lo que permite su aplicación directa en diseños
complejos, y la simplicidad de su fabricación. Pero las capacidades de computación y las
prestaciones de los algoritmos se han multiplicado con los años, lo que ha permitido ampliar
el espectro de posibles topologías a geometrías casi arbitrarias, ofreciendo al diseñador una
mayor libertad creativa. En todo caso, gran parte de los dispositivos de microondas actuales
siguen confiando en la madurez y fiabilidad de las tecnologías de guía de onda tradicionales,
que no requieren una inversión adicional en equipos de fabricación. La supresión del efecto
multipactor es la motivación para arriesgarse a probar topologías de guía de onda innovadoras,
como la guía en forma de cuña.
Es en este contexto donde este trabajo de doctorado pretende ofrecer una contribuci'on.
En primer lugar, se ha desarrollado un modelo numérico para predecir el efecto multipactor
de ruptura en guías de onda huecas en forma de cuña. Esta herramienta ha permitido la
identificación de criterios óptimos de diseño. Así mismo, se ha adaptado un método de
síntesis de filtros paso-banda en guía rectangular para poder realizar un diseño similar pero
basado en la nueva topología. Como culminación, las estructuras diseñadas se han fabricado
y medido, con el fin de comprobar sus prestaciones electromagnéticas y su sensibilidad al
efecto multipactor. Se ha registrado además una patente para proteger estos nuevos filtros.
En resumen, el trabajo ha abarcado el ciclo de actividades relacionadas con el desarrollo
industrial completo de un dispositivo pasivo de microondas: investigación básica, análisis,
diseño, fabricación y calificación con medidas en el laboratorio.
Estas medidas han comprobado la mejora prevista en los umbrales de multipactor de los
filtros de microondas con topología en forma de cu¿na, y han confirmado que pueden ofrecer
respuestas en frecuencia similares a aquellas de filtros basados en una guía de onda rectangular
equivalente. Las implicaciones de los resultados han sido evaluadas a fondo y resumidas en este documento. Como observación final, se ha intentado redactar esta investigación de
manera que refleje el proceso natural de aprendizaje, mostrando los aciertos y errores experimentados
en el camino, todos los cuales han conducido al resultado final. Este reto no
hubiera sido posible sin el apoyo y compromiso de varios profesionales de diferentes centros
de investigación e industrias europeas (Universidad Politécnica de Valencia, Universidad de
Valencia, Agencia Espacial Europea, Thales Alenia Espacio Espa¿na, Technische Universit¿at
Darmstadt, 'Ecole Polythecnique F'ed'erale de Lausanne, Tesat, Aurora Software and Testing
y Val Space Consortium), a los cuales estoy agradecido.
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The multipactor RF breakdown effect has been object of numerous studies for over 80
years, since the development of the first particle accelerators in the beginning of the 20th
century. Around the middle of that century, ...[+]
The multipactor RF breakdown effect has been object of numerous studies for over 80
years, since the development of the first particle accelerators in the beginning of the 20th
century. Around the middle of that century, with the development of high power sources for
radar applications and with the emergence of the artificial satellites, a new impulse was given
to the multipactor research, since it became a risk for expensive commercial projects. Traditionally,
waveguides with canonical cross sections, like rectangular or coaxial ones, have
been the building blocks of most microwave devices. Their main advantages are that their
electromagnetic fields can be solved analytically, enabling their direct application in complex
designs, as well as their manufacturing simplicity. But over the years the computation
capabilities and algorithms have continuously evolved, which has broadened the spectrum
of possible topologies to almost arbitrary geometries, offering the designer more room for
creativity. However, most of the current microwave devices still trust on the mature canonical
waveguide technologies, which do not require an additional investment in manufacturing
equipment. The suppression of the multipactor effect is the motivation for considering an
innovative waveguide topology, like the wedge-shaped waveguide.
It is within this context where this PhD work aims to offer a contribution. On the one
hand, a numerical model for predicting the multipactor breakdown effect in wedge-shaped
hollow waveguides has been developed. This tool has aided in the derivation of optimised
design criteria. On the other hand, a bandpass filter synthesis method for rectangular waveguide
has been adapted in order to calculate a similar design based on the new topology. As
a culmination, the designed structures have been manufactured and tested, in order to verify
their electromagnetic performance and their multipactor sensibility. A patent was also filed
to protect these new filters. In short, this work has comprised the cycle of activities related
to the whole industrial development of a passive microwave device: basic research, analysis,
design, manufacturing and qualification through testing.
These measurements have verified the predicted improvement in the multipactor thresholds
of microwave filters with wedge-shaped topology, and have confirmed that they can
offer similar frequency responses to the equivalent rectangular waveguide ones. The implications
of the results have been thoroughly evaluated and summarised in this document. As a
final remark, this research document has been drafted to reflect the natural learning process,
and to show the rights and wrongs experienced in the way, which all have led to the final result.
Such an endeavour would not have been possible without the support and commitment of several professionals from different European research centres and industries (Universidad
Polit'ecnica de Valencia, Universidad de Valencia, European Space Agency, Thales
Alenia Espacio Spain, Technische Universit¿at Darmstadt, 'Ecole Polythecnique F'ed'erale de
Lausanne, Tesat, Aurora Software and Testing and Val Space Consortium), for which I am
grateful.
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