The multipactor phenomenon is a major concern in modern satellites that operate with highpower transmission in many frequency bands. It occurs when electrons inside RF componentsare accelerated by the RF fields. These electrons then hit walls inside the device, produc-ing secondary electrons. As the number of electrons increases, it may create noise inside thecomponent, thus deteriorating the original signal-to-noise ratio. When designing radio fre-quency equipment for space applications, it is therefore important to know at which powerlevels this occurs. Multicarrier simulations are time consuming and demand high amounts ofcomputer resources. In this thesis the hybrid L1/L2 method has been tested, which is a methodthat separates the geometric and multicarrier simulations into two parts resulting in a shortercomputation time. The conclusion is that the method is more reliable than single carrier sim-ulations, and that it can be used as a first step in the designing process of RF components.It is also a way of estimating a preliminary threshold before starting a full-scale multicarriersimulation.

[ES] El propósito de la presente tesis es desarrollar una herramienta informática para la predicción del efecto multipactor tanto en líneas de transmisión coaxiales como en guías circulares. Esta herramienta está pensada para ser complementaria de las de diseño asistido por ordenador Computer-Aided Design (CAD) en el caso de dispositivos de comunicaciones a implementar en estas tecnologías de ondas guiadas. En el caso de guías coaxiales, se desarrollará un modelo numérico para la predicción de los umbrales de potencia del fenómeno de multipactor. Este método ha sido validado con medidas experimentales, así como validado con otros estudios teóricos realizados. En este tipo de guía se ha considerado tres tipos de señal de radio frecuencia (RF), la onda incidente, la onda estacionaria pura y las ondas estacionarias en general (combinación de ondas incidente y reflejada de distintas amplitudes). Así pues, se ha analizado y obtenido los umbrales de potencia para cada una de las diferentes señales consideradas y observado los efectos que se producen. En las guías circulares, se ha demostrado en primer lugar la existencia del fenómeno de multipactor bajo la excitación del modo fundamental de la guía circular TE11. El interés en estas guías se debe al amplio uso en la fabricación de componentes pasivos, tanto en cavidades resonantes como el uso de irises que conectan las cavidades, empleados tanto en aceleradores de partículas como en diferentes subsistemas de comunicaciones en satélites. Por tanto, además de observar la existencia del efecto multipactor hemos calculado una carta de susceptibilidad para dicho fenómeno, inicialmente en el caso de que sólo se transmita una única polarización, en concreto la polarización vertical. Una vez hemos demostrado que el efecto multipactor es posible en estas guías circulares, se ha realizado un estudio teniendo en consideración la coexistencia de las dos polarizaciones del modo fundamental TE11. Para una mejor comprensión del fenómeno, se ha analizado inicialmente para órdenes de multipactor más bajos en función de la excentricidad de la elipse de polarización. Prestando especial atención para el caso de la polarización lineal y circular, aunque también se ha analizado otras combinaciones más generales. / [CA] El propòsit de la present tesi és desenvolupar una eina informàtica per a la predicció de l'efecte multipactor tant en línies de transmissió coaxials com en guies circulars. Aquesta eina està pensada per a ser complementària de les de disseny assistit per ordinador Computer- Aided Design (CAD) en el cas de dispositius de comunicacions a implementar en aquestes tecnologies d'ones guiades. En el cas de guies coaxials, es desenvoluparà un model numèric per a la predicció dels llindars de potència del fenomen de multipactor. Aquest mètode ha sigut validat amb mesures experimentals, així com validat amb altres estudis teòrics realitzats. En aquesta mena de guia s'ha considerat tres tipus de senyal de ràdio freqüència (RF), l'ona incident, l'ona estacionària pura i les ones estacionàries en general (combinació d'ones incident i reflectida de diferents amplituds). Així doncs, s'ha analitzat i obtingut els llindars de potència per a cadascuna dels diferents senyals considerats i observat els efectes que es produeixen. En les guies circulars, s'ha demostrat en primer lloc l'existència del fenomen de multipactor sota l'excitació de la manera fonamental de la guia circular TE11. L'interés en aquestes guies es deu a l'ampli ús en la fabricació de components passius, tant en cavitats ressonants com l'ús d'irises que connecten les cavitats, emprats tant en acceleradors de partícules com en diferents subsistemes de comunicacions en satèllits. Per tant, a més d'observar l'existència de l'efecte multipactor hem calculat una carta de susceptibilitat per a aquest fenomen, inicialment en el cas que només es transmeta una única polarització, en concret la polarització vertical. Una vegada hem demostrat que l'efecte multipactor és possible en aquestes guies circulars, s'ha realitzat un estudi tenint en consideració la coexistència de les dues polaritzacions de la manera fonamental TE11. Per a una millor comprensió del fenomen, s'ha analitzat inicialment per a ordres de multipactor més baixos en funció de l'excentricitat de l'ellipse de polarització. Prestant especial atenció per al cas de la polarització lineal i circular, encara que també s'ha analitzat altres combinacions més generals. / [EN] The main goal of this PhD thesis is to develop a computer tool for the prediction of the multipactor effect, both in coaxial transmission lines and in circular guides. This tool is intended to be complementary to the available Computer-Aided Design (CAD) versions, in particular for the case of communication devices to be implemented in the cited guided wave technologies. In the case of coaxial guides, a numerical model is developed to predict the power thresholds of the multipactor phenomenon. This method has been validated with experimental measurements, as well as with other theoretical studies carried out. In this type of guide, three types of radio frequency (RF) signals have been considered, i.e. the incident wave, the pure standing wave and the standing waves in general (a combination of incident and reflected waves of different amplitudes). Thus, the power thresholds for each of the different signals considered have been analyzed and obtained, and the corresponding effects that occur have been observed. In circular guides, the existence of the multipactor phenomenon under the excitation of the TE11 fundamental mode of the circular guide has been demonstrated first. The interest in these guides is due to their wide use in the manufacture of passive components, both in resonant cavities and within irises that connect the cavities, used both in particle accelerators and in different satellite communications subsystems. Therefore, in addition to observing the existence of the multipactor effect, we have calculated a susceptibility chart for this phenomenon, initially in the case that only a single polarization is transmitted, specifically the vertical polarization. Once we have shown that the multipactor effect is possible in these circular guides, a study has been carried out taking into account the co-existence of the two polarizations of the TE11 fundamental mode. For a better understanding of the phenomenon, it has been initially analyzed for lower multipactor orders as a function of the eccentricity of the polarization ellipse. Special attention has been paid to the case of linear and circular polarization, although other more general combinations have also been analyzed. / This work was supported in part by Ministerio de Educación y Ciencia, Spanish Government, under the coordinated Research Project TEC 2007/67630-C03-01 and in part by Generalitat Valenciana (Spain) under Projects IIARC0/2004/20, IIARC0/2004/21 and IIARC0/2004/22. This work has been supported by Ministerio de Ciencia e Innovación, Spanish Government, under Research Project TEC2007-67630-C03-01. / Pérez Pastor, AM. (2021). Análisis del efecto multipactor en guías de onda de geometría cilíndrica [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/162975

Des avancées technologiques très importantes ont permis d'augmenter d'une manière drastique les valeurs des champs accélérateurs dans les cavités supraconductrices. Ces dernières sont devenues très attractives et ont été choisies pour des projets d'accélérateurs de grande ampleur tels que le XFEL et le collisionneur du futur ILC. Le temps de conditionnement HF des coupleurs alimentant les cavités supraconductrices et la quête de fiabilité face aux nouvelles contraintes de fonctionnement sont devenus des priorités pour ces projets internationaux. <br />Etant des composants complexes, les coupleurs TTF-III pour les cavités supraconductrices du projet XFEL ont un comportement difficile à modéliser ou à prévoir. Ainsi, nos travaux étaient principalement expérimentaux. Dans un premier temps, une automatisation complète du stand de test des coupleurs a été effectuée avec succès. Nous avons réussi, suite à cela, à conditionner une série de coupleurs TTF-III. Ces conditionnements ont permis de réaliser une étude sur les comportements des coupleurs pendant leurs conditionnements HF. Des expériences ont donné une estimation de l'effet de l'étuvage in-situ sur le temps de conditionnement. Les tests de certains de ces coupleurs sur cavités ont permis des fonctionnements à des champs de l'ordre de 35 MV/m. <br />Les études menées sur les coupleurs avaient pour principal objectif de réduire le temps de conditionnement. Ceci représente l'un des enjeux les plus importants pour faire valoir le choix d'un coupleur. Ce but a été réalisé suite à des optimisations apportées sur la procédure de conditionnement. Le temps de conditionnement a été fortement réduit.<br />Un intérêt particulier a également été donné aux processus de génération des courants électroniques dans les coupleurs, notamment par le multipactor. Des études de simulation de ce processus ont ainsi été effectuées. Son élimination par polarisation du conducteur interne a aussi fait l'objet d'un essai expérimental qui a validé l'efficacité de cette action sur TTF-III.

This work presents a new theoretical framework and prediction tool for multipactor in multi-carrier systems. This is of capital importance for satellite communication applications, which demand for higher number of channels operating at high power levels. Such a tool may help to reduce, or completely avoid, the risk of having an RF breakdown in operation, with the subsequent loss of signal quality or even completely damage of the device. Currently not much is known about multipactor for multi-carrier signals. This Thesis throws light on some basic multipactor mechanisms such as the electronic discharge build-up or its connection with signal distortion. A new non-stationary multi-carrier theory, based on current statistical multipactor studies, is presented. Unlike existing ones, this theory is able, for the first time, to model both electron creation and absorption processes. It constitutes the first multipactor theory for multi-carrier signals which is able to fully characterize the electron dynamics, such as the time evolution of the electronic density, as well as creation and absorption rates. A prediction method, the quasi-stationary method, is proposed for the automatic searching of the combination of carrier phases which yields the lowest breakdown level. It is based on the non-stationary theory for singlecarrier signals together with a genetic global optimizer. The quasi-stationary prediction method returns the worst-case phase combination plus a breakdown level for arbitrary multi-carrier signals with any number of carriers. The quasi-statinary method has been assessed with experimental tests on ad-hoc Ku-band rectangular waveguide samples with different multi-carrier signals. Additionally, the results have been contrasted with the popular 20-gap-crossing rule. The quasi-stationary method yields much better prediction accuracy than the 20-gap-crossing rule. Prediction errors for both techniques have been found to be 1 dB and 4 dB, respectively. The non-stationary theory is formulated for one-dimensional parallelplate case, but in principle can be adapted to other geometries and signals, which opens a future research line for extending it to more complex applications. / Anza Hormigo, S. (2014). Multipactor in Multicarrier Systems. Theory and Prediction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/38761

[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. / González Santatecla, P. (2024). High Power Effects in Microwave Filters for Space Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207526

[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. / Monerris Belda, Ó. (2023). Advanced Techniques for Multipactor Testing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192786

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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 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. / 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. / Hueso González, J. (2013). Analysis of wedge-shaped waveguides and design of multipactor-resistant microwave bandpass filters. Análisis de guías de onda en forma de cuña y diseño de filtros de microondas paso-banda resistentes al efecto multipactor [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/33750

La fusion nucléaire contrôlée par confinement magnétique avec les réacteurs de type Tokamaks et les applications spatiales ont en commun d’utiliser des composants Haute-Fréquence (HF) sous vide à forte puissance. Ces composants peuvent être sujets à l’effet multipactor qui augmente la densité électronique dans le vide au sein des systèmes, ce qui est susceptible d’induire une dégradation des performances des équipements et de détériorer les composants du système. Ces recherches consistent à améliorer la compréhension et la prédiction de ces phénomènes. Dans un premier temps nous avons réalisé une étude de sensibilité de l’effet multipactor au rendement d’émission électronique totale (noté TEEY). Cette étude a permis de montrer que l’effet multipactor est sensible à des variations d’énergies autour de la première énergie critique et dans la gamme d’énergies entre la première énergie critique et l’énergie du maximum. De plus, les composants HF utilisés dans les réacteurs Tokamak et dans le domaine du spatial peuvent être soumis à un champ magnétique continu. Nous avons donc développé un nouveau dispositif expérimental afin d’étudier ce phénomène. Le fonctionnement du dispositif et la méthode de mesure ont été analysées et optimisées à l’aide de modélisations numériques avec le logiciel PIC SPIS. Une fois que l’utilisation du dispositif a été optimisée et que le protocole de mesures a été validé, nous avons étudié l’influence d’un champ magnétique uniforme et continu sur le TEEY du cuivre. Nous avons démontré que le rendement d’émission électronique totale du cuivre est influencé par la présence d’un champ magnétique et par conséquent également l’effet multipactor. / Space communication payload as well as magnetic confinement fusion devices, among other applications, are affected by multipactor effect. This undesirable phenomenon can appear inside high frequency (HF) components under vacuum and lead to increase the electron density in the vacuum within the system. Multipactor effect can thus disturb the wave signal and trigger local temperature increases or breakdowns. This PhD research aims to improve our understanding and the prediction of the multipactor effect. The multipactor phenomenon is a resonant process which can appear above a certain RF power threshold. To determine this power threshold, experimental tests or/and simulations are commonly used. We have made a study to evaluate the multipactor power threshold sensitivity to the TEEY. Two particular critical parameters have been found: first cross-over energy and the energies between the first cross-over and the maximum energies. In some situations, the HF components are submitted to DC magnetic fields which might affect the electron emission properties and hence the multipactor power threshold. Current multipactor simulation codes don’t take into account the effect of the magnetic field on the TEEY. A new experimental setup specially designed to investigate this effect was developed during this work. Our new experimental setup and the associated TEEY measurement technique were analysed and optimized thanks to measurements and SPIS simulations. We used the setup to study the influence of magnetic field perpendicular to the sample surface on the TEEY of copper. We have demonstrated that the magnetic field affects the copper TEEY, and hence multipactor power threshold.

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