Advanced Techniques for Multipactor Testing

Abstract

[ES] En los últimos años han proliferado los nuevos sistemas de satélites, sobre todo las grandes constelaciones en las órbitas terrestres bajas. Casi todos los satélites transmiten señales digitales con diversas modulaciones y niveles de potencia. Y no sólo eso, el modelo de negocio exige un rápido despliegue de los satélites, lo que impone enormes restricciones a los proveedores de equipos de carga útil de microondas. Un área de riesgo clave para estos equipos sigue siendo la avería del multipactor bajo niveles de potencia de moderados a altos. Debido a la aleatoriedad inherente al fenómeno multipactor, los clientes tienden a añadir márgenes de diseño adicionales para los componentes de microondas de alta potencia. Esto se traduce en costes más elevados, dispositivos más voluminosos y más tiempo para las pruebas.

A partir de la experiencia personal realizando ensayos de multipactor, la principal motivación del trabajo descrito en la tesis ha sido emprender una revisión exhaustiva de este fenómeno y desarrollar capacidades de ensayo multipactor de vanguardia. Proporcionar medios para la prueba rápida de multipactores bajo una variedad de señales moduladas de banda ancha.

La tesis demuestra que las modulaciones analógicas y digitales tienen un impacto significativo en el umbral multipactor. También se analizan los regímenes multipactor a corto y largo plazo, regímenes que, en algunos casos, presentan umbrales multipactor muy diferentes para el mismo hueco crítico.

La necesidad de reducir el peso de la carga útil de microondas convierte a la multiportadora en una excelente opción para los diseñadores. Al encaminar varias señales a través del mismo dispositivo, el peso de la carga útil se reduce drásticamente. Las soluciones comerciales para pruebas multicarrier no son adecuadas debido a los altos niveles de potencia requeridos. Se presentan varias estrategias para implementar bancos de pruebas multiportadora con parámetros controlables. Los resultados demuestran que la señal generada es precisa y estable en el tiempo.

Por último, se propone un novedoso sistema de detección de multipactores para hacer frente a la detección de multipactores cuando se utilizan señales moduladas y multiportadora de cualquier ancho de banda. Este método tiene la misma sensibilidad que el conocido anulador de microondas para señales de onda continua y la supera para señales moduladas. El procesamiento digital de señales utilizado para detectar los patrones multipactor proporciona un método de detección totalmente autónomo.

[CA] En els darrers anys han proliferat els nous sistemes de satèl·lits, sobretot les grans constel·lacions a les òrbites terrestres baixes. Gairebé tots els satèl·lits transmetten dades digitals amb diverses modulacions i nivells de potència. I no només això, el model de negoci exigeix un ràpid desplegament dels satèl·lits, cosa que imposa enormes restriccions als proveïdors de càrrega útil de microones. Una àrea de risc clau per a aquests equips continua sent la descarrega de multipactor sota nivells de potència de moderats a alts. A causa de l'aleatorietat inherent al fenomen multipactor, els clients tendeixen a afegir marges de disseny addicionals per als components de microones d'alta potència. Això es tradueix en costos més elevats, dispositius més voluminosos i més temps per a les proves.

A partir de l'experiència personal realitzant assajos de multipactor, la motivació principal del treball descrit a la tesi ha estat emprendre una revisió exhaustiva d'aquest fenomen i desenvolupar capacitats d'assaig multipactor d'avantguarda. Proporcionar mitjans per a la prova ràpida de multipactors sota una varietat de senyals modulats de banda ampla.

La tesi demostra que les modulacions analògiques i digitals tenen un impacte significatiu al llindar multipactor. També s'analitzen els règims multipactor a curt i llarg termini, règims que, en alguns casos, presenten llindars multipactor molt diferents per al buit crític mateix.

La necessitat de reduir el pes de la càrrega útil de microones fa de la transmissií multiportadora en una excel·lent opció per als dissenyadors. Encaminant diverses senyals a través del mateix dispositiu, el pes de la càrrega útil es redueix dràsticament. Les solucions comercials per a proves multicarrier no són adequades a causa dels alts nivells de potència requerits. Es presenten diverses estratègies per implementar bancs de proves multiportadora amb paràmetres controlables. Els resultats demostren que el senyal amb què s'alimenta el dispositiu sotmès a proves és precís i estable en el temps.

Finalment, es proposa un nou sistema de detecció de multipactors per fer front a la detecció de multipactors quan s'utilitzen senyals modulats i multiportadors de qualsevol amplada de banda. Aquest mètode té la mateixa sensibilitat que el conegut anul·lador de microones per a senyals d'ona contínua i la supera per a senyals modulats. El processament digital de senyals utilitzat per detectar els patrons multiactor proporciona un mètode de detecció totalment autònom.

[EN] In the recent past, there has been a proliferation of new satellite systems, especially the large constellations in the Low Earth Orbits (LEOs). Nearly all satellites now carry digital traffic with a variety of modulations and power levels. Not only that, the business model requires rapid deployment of satellites, putting enormous constraints for the suppliers of microwave payload hardware. A key risk area for such equipment remains the multipactor breakdown under moderate to high power levels. Owing to the inherent randomness of the multipactor phenomenon, customers tend to add extra design margins for the high power microwave components. This results in higher costs, bulkier devices and longer time for testing.

Based on personal experience in multipactor testing, the prime motivator for the work described in the thesis has been to undertake a comprehensive review of this phenomenon and develop cutting edge multipactor test capabilities, providing means for the rapid multipactor testing under a variety of wide-band modulated signals.

The thesis dissertation shows that analog and digital modulations have a significant impact in the multipactor threshold. The short and long-term multipactor regimes are also analyzed, regimes that, in some cases, have very different multipactor thresholds for the same critical gap.

The need to reduce the microwave payload weight by using multicarriers in a single transponder provides an excellent option for designers. By routing several signals through the same device, the payload weight is dramatically reduced. Commercial solutions for multicarrier testing are not suitable because of the high power levels required. Several strategies to implement multipactor test benches with controllable parameters are presented. Results prove that the signal being fed to the device under tests is accurate and stable over time.

Finally, a novel multipactor detection system is proposed to cope with multipactor detection when modulated and multicarrier signals of any bandwidth are used. This method has the same sensitivity as the well known microwave nulling for continuous wave signals and surpasses it for modulated signals. The digital signal processing used to detect the multipactor patterns provides a full autonomous detection method.