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González Iglesias, Daniel
Gimeno Martínez, Benito (dir.); Boria Esbert, Vicente Enrique (dir.) Departament de Física Aplicada i Electromagnetisme |
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Aquest document és un/a tesi, creat/da en: 2017 | |
The work performed throughout this PhD Thesis is aimed to study the multipactor
effect in microwave waveguides. Multipactor breakdown is a phenomenon that takes
place in devices operating in conditions of high vacuum, under the presence of high
power electromagnetic fields within the Radiofrequency and microwave regions. The
multipactor effect appears in a wide range of devices such as the satellite passive components
devoted to spacial telecommunications, particle accelerators, and klystrons.
This phenomenon is produced due to the presence of free electrons inside the component,
which are accelerated by the RF electric field, impacting with the device walls
and releasing new secondary electrons from the surface. If certain conditions are fulfilled
to ensure the synchronism between the RF electric field and the electron, then
a chain reaction is started, leading to an exponent...
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The work performed throughout this PhD Thesis is aimed to study the multipactor
effect in microwave waveguides. Multipactor breakdown is a phenomenon that takes
place in devices operating in conditions of high vacuum, under the presence of high
power electromagnetic fields within the Radiofrequency and microwave regions. The
multipactor effect appears in a wide range of devices such as the satellite passive components
devoted to spacial telecommunications, particle accelerators, and klystrons.
This phenomenon is produced due to the presence of free electrons inside the component,
which are accelerated by the RF electric field, impacting with the device walls
and releasing new secondary electrons from the surface. If certain conditions are fulfilled
to ensure the synchronism between the RF electric field and the electron, then
a chain reaction is started, leading to an exponential growth of the electron population
and, eventually, the discharge appears in the form of an electric current which is
established between the walls of the device. The multipactor discharge has several negative
effects that degrade the device performance, such as increasing signal noise and
reflected power, local heating up of the walls, detuning of resonant cavities, and even
physical damages in the surfaces. To avoid these undesirable effects, the maximum
handling power of the device must be restricted, in order to ensure that the discharge
does not appear during its operation.
This PhD Thesis is focused on the study of the multipactor effect in RF passive
components employed for space telecommunications. In this scenario, it is crucial to
avoid the appearance of the discharge, since replacement of damaged devices is not
possible once the satellite has been launched. Due to this, the study of the multipactor
effect is of great interest for both industries devoted to the manufacture of space
components and space institutions. A proper knowledge of the multipactor effect by
means of the numerical simulation tools allows to predict the multipactor RF power
threshold which triggers the discharge, thus this information can be applied to the
design of multipactor-free components.
The aim of this work is to reach a deeper understanding of the multipactor effect
in certain specific scenarios which, despite of its remarkable interest, they had
not been treated properly in the technical literature until the present moment. Specifically,
several typical microwave component topologies will be considered such as
the parallel-plate waveguide, the coaxial transmission line, as well as ridge and multi-
ridge waveguides. It is worth to mention that, despite most of this work is theoretical, a
great number of these results were assessed by means of experimental measurements,
thus demonstrating the validity of the theoretical frame proposed. With regard to the
structure of this PhD Thesis, it is divided into four main thematic areas. The first topic
analyzes the multipactor mitigation or suppression by means of an external magnetic
field oriented along the axis of a coaxial transmission line. The second thematic area
presents a bunch of multipactor susceptibility charts for ridge and multi-ridge waveguides,
as well as a simple procedure to obtain the multipactor threshold in complex
structures based on several sections of ridge and multi-ridge waveguides. The third topic
is an study about the multipactor effect in ferrite-loaded components. In particular,
it is examined the case of a parallel-plate waveguide with a magnetized ferrite slab.
Finally, the fourth thematic area studies the multipactor effect in coaxial transmission
lines excited with digital modulated signals.El trabajo desarrollado en la presente tesis doctoral tiene por objeto el estudio del efecto multipactor en
guías de microondas. La descarga de multipactor es un fenómeno que aparece en componentes que operan
en condiciones de alto vacío, y en presencia de campos electromagnéticos de gran intensidad en el rango de
la radiofrecuencia (RF) y las microondas. El efecto multipactor aparece en un amplio rango de dispositivos
como son los componentes pasivos de los satélites de telecomunicaciones espaciales, los aceleradores de
partículas, y los amplificadores tipo klystron. Este fenómeno se produce debido a la presencia de electrones
libres en el interior del dispositivo que son acelerados por el campo eléctrico de RF, de manera que al impactar
con las paredes del componente pueden liberar electrones secundarios de la superficie. Si se dan las
condiciones de sincronía necesarias con el campo eléctrico, se inicia una reacción en cadena que provoca
un crecimiento exponecial de la población de electrones dentro del dispositivo, conduciendo finalmente a la
aparición de una corriente eléctrica que constituye la descarga de multipactor. Existen una serie de efectos
derivados de la descarga como son el aumento del nivel de ruido y de la potencia reflejada, calentamiento
térmico local, desintonización de cavidades resonantes, y daños físicos en las superficies. Todos estos fenómenos provocan una degradación del funcionamiento del dispositivo, por lo que la descarga de multipactor
debe de evitarse a toda costa. Esto implica una restricción en la potencia máxima a la que puede funcionar
el componente.
En la presente tesis doctoral nos centraremos en el estudio del efecto multipactor en el ámbito de los
componentes pasivos de los satélites de telecomunicaciones. En este escenario es crucial asegurarse de que
la descarga no se pueda producir en ningún componente a lo largo de toda su vida útil, ya que de lo contrario
esto supondría una grave amenanza para el correcto funcionamiento de todo el conjunto del satélite o de
una parte del mismo. Evidentemente, si algún dispositivo fallara debido a una descarga, sería imposible
efectuar ningún tipo de reparación del mismo. Es por ello que el estudio del efecto multipactor es un tema
de gran interés, tanto para las industrias de fabricación de componentes de satélites como para las agencias
espaciales. La correcta comprensión del efecto multipactor a través de herramientas de simulación permite
estimar la potencia umbral a la que se inicia la descarga, información que es empleada para el diseño de
componentes libres de este perjudicial fenómeno.
El objetivo de este trabajo es profundizar en el conocimiento del efecto multipactor en diferentes casos
que, a pesar de ser de interés práctico, aún no habían sido abordados en la bibliografía existente hasta el
momento. Como resultado de este estudio, se dispondrá de márgenes más rigurosos para la predicción de
la descarga de multipactor que podrán ser aprovechados por las industrias destinadas a la fabricación de
componentes espaciales, permitiendo de esta manaera incrementar la capacidad de manejo de potencia en
dichos dispositivos.
En cuanto a la metodología para el estudio del efecto multipactor en guías de microondas en diferentes
escenarios específicos, se ha desarrollado una herramienta eficiente para la simulación numérica de este fenómeno. La idea básica en la cual se basa el algoritmo de simulación es el estudio de las trayectorias de un
conjunto de electrones en el interior del dispositivo, que son acelerados por el campo electromagnético total
que hay dentro del mismo. Dependiendo del caso concreto que estemos tratando existen dos posibilidades
diferentes para simular el comportamiento de los electrones: el modelo de electrón efectivo y el modelo de
electrón individual. El modelo de electrón efectivo considera el seguimiento de un número fijo de partículas
que se define en el instante inicial. El incremento de la población electrónica, debido a la emisión secundaria
de electrones por parte de la superficie, se tiene en cuenta mediante la acumulación de carga y masa por parte
de cada electrón efectivo. A pesar de que esta consideración supone una simplificación de la esencia física
del problema, puesto que en la situación real se absorben o se crean nuevos electrones en las colisiones, los
resultados proporcionados por este modelo son buenos cuando se comparan con los datos experimentales
en un amplio abanico de escenarios, siempre que la señal de RF sea armónica en el tiempo. Sin embargo,
cuando la envolvente de la señal de RF varía con el tiempo (como ocurre en el caso de las señales moduladas
digitalmente) se obtienen resultados más precisos si se implementa un modelo de electrón individual. El
modelo de electrón individual permite la creación de nuevas partículas en el transcurso de la simulación en
el caso de que se generen electrones secundarios en las colisiones. De forma similar, si el electrón resulta
absorbido por la superficie es eliminado de la simulación. El único inconveniente que presenta el modelo
de electrón individual respecto al de electrón efectivo es que en este último caso es posible obtener fácilmente
las trayectorias de los electrones en el interior del dispositivo; mientras que para el caso de electrón
individual es mucho más complicado, ya que los electrones se crean y se destruyen continuamente en las
numerosas colisiones con las paredes del componente. En cualquier caso, independientemente de la elección
de un modelo u otro, el funcionamiento del algorimo de simulación es muy similar en ambas situaciones.
Inicialmente el código toma en consideración un cierto número de electrones individuales o efectivos que
son emitidos con velocidades aleatorias, desde uno o varios puntos espaciales del interior del componente.
Entonces, la trayectoria y la velocidad de cada electrón se obtiene resolviendo numéricamente su ecuación
diferencial de movimiento, que es el resultado de la acción del campo electromagnético total al que se ve
sometido. Como método de resolución numérica de la ecuación diferencial del movimiento usaremos un
algoritmo Velocity-Verlet. Cada vez que se actualiza la posición y velocidad de un electrón se comprueba si
se ha producido un impacto con las paredes del dispositivo. En caso de que esto ocurra, se calcula la función
de emisión de electrones secundarios (conocida como SEY, del inglés Secondary Electron Yield coefficient),
que da cuenta de la interacción del electrón con la superficie, y permite determinar tanto si se emiten electrones
secundarios como si el electron primario incidente es absorbido por la misma. Hecho esto se actualiza
la población de electrones y el electrón impactante (en caso de que no sea absorbido o si está implementado
el modelo de electrón efectivo) es lanzado de nuevo hacia el interior del componente desde la posición de
impacto. El código se detiene cuando se ha simulado un tiempo (expresado en número de periodos de RF)
predefinido, o si se alcanza un cierto nivel crítico de número de electrones (asociado al criterio de descarga
de multipactor). El dato de salida del simulador es la evolución de la población de electrones en el dispositivo
en función del tiempo, siendo ésta la información necesaria para poder decidir si se ha producido la
descarga para un nivel determinado del voltaje de RF de la señal.
El contenido de esta tesis doctoral se puede dividir en cuatro areas temáticas diferentes que pretenden
abordar aspectos particulares del fenómeno de multipactor: mitigación del efecto multipactor por medio de
campos magnéticos estáticos, multipactor en guías ridge y multiridge, multipactor con señales moduladas
digitalmente, y multipactor en guías rellenadas parcialmente con ferrita. A continuación se hará un breve
resumen de la motivación y los resultados obtenidos en cada caso.
El primer bloque trata sobre las técnicas de mitigación del efecto multipactor cuyo objetivo es prevenir
la aparición de la descarga en el dispositivo ya que, como se ha comentado anteriormente, ésta comporta
una serie de efectos negativos que degradan el funcionamiento del mismo. Existen diferentes técnicas con
el propósito de inhibir la descarga. Por una parte, tenemos aquellos métodos que pretenden disminuir el
número de electrones emitidos por la superficie aplicando diversos tratamientos físico-químicos sobre la
misma: pulido químico, trazado de surcos, recubrimientos, etc. Sin embargo, los tratamientos superficiales
se degradan con el tiempo, y el surcado de la superficie puede empeorar el funcionamiento del dispositivo.
Por otra parte, algunos autores proponen el uso de campos magnéticos estáticos para lograr una mitigación
parcial o total del mismo. En nuestro caso, exploramos la posibilidad de suprimir la descarga de multipactor
en una línea de transmisión coaxial sometida a un campo magnético estático orientado en la dirección axial de la guía. En una primera etapa, se analizó el caso de un campo magnetico espacialmente uniforme
sobre la guía coaxial. La presencia de un campo magnetostático de tales características tiende a curvar las
trayectorias de los electrones haciéndolas girar alrededor de las líneas de campo magnético, empujando al
electrón de vuelta hacia el conductor de partida y perturbando las típicas trayectorias resonantes de doble
superficie entre los conductores. Este hecho quedó constatado al examinar las trayectorias resultantes de las
simulaciones numéricas, donde se observó la aparición de trayectorias resonantes de una sola superficie para
algunos valores de intensidad del campo magnético aplicado. El principal parámetro que afecta al tiempo
de vuelo de los electrones entre dos impactos sucesivos con los conductores del coaxial es el cociente
entre la frecuencia de ciclotrón (que es proporcional a la amplitud del campo magnético) y la frecuencia
de RF. Concretamente, cuanto mayor es dicho cociente menor es el tiempo entre colisiones. Cuando se
excede un valor crítico del cociente frecuencia de ciclotrón frente a frecuencia de RF, el tiempo de vuelo se
hace tan corto que el electrón no puede sincronizarse con el campo eléctrico de RF, dando como resultado
impactos muy poco energéticos que inhiben por completo la descarga. Como consecuencia se demuestra que
la descarga de multipactor puede suprimirse completamente en una línea de transmisión coaxial, siempre
que se disponga de un campo magnético suficientemente intenso. El valor concreto del ratio frecuencia
de ciclotron frente a frecuencia de RF necesario para inhibir la descarga depende a su vez del valor de la
frecuencia de RF. Sin embargo, se puede tomar como regla aproximada que la descarga de multipactor no
puede ocurrir cuando la frecuencia de ciclotrón excede a la de RF. Esta aproximación constituye un buen
punto de inicio en la mayoría de los casos, antes de realizar las simulaciones numéricas propiamente dichas.
Para validar los resultados teóricos obtenidos en las simulaciones numéricas se llevó a cabo una campaña
de medidas experimentales, obteniéndose unos resultados satisfactorios en la comparacion entre teoría y
experimento.
Una vez comprendido satisfactoriamente el caso de mitigación de la descarga de multipactor en guía
coaxial con un campo magnetostático uniforme, se analizó en una segunda etapa de este estudio la presencia
de un campo magnetostático no uniforme sobre la guía. Este segundo caso supone una situación más realista
desde el punto de vista de una implementación práctica, ya que un campo magnético de estas características
puede lograrse con un imán permanente de neodimio en forma de cilindro hueco insertando la guía coaxial
en su interior. En esta configuración, además del campo magnético axial, existe una componente en la
dirección radial, siendo ambas espacialmente no uniformes. En concreto, la componente axial del campo
magnético presenta una cierta uniformidad en la región central del cilindro imantado, pero su intensidad
desciende rápidamente en la vecindad de las tapas del cilindro. Este hecho es importante desde el punto de
vista de la mitigación de la descarga puesto que, tal y como se comprobó en el caso de campo magnetostático
axial uniforme, se requiere una intensidad alta de campo magnético para suprimir la descarga. Sin embargo,
tras examinar las trayectorias de los electrones en la guía coaxial sometida al campo no uniforme del imán,
se constató que la componente radial del campo magnético tendía a expulsar al electrón de las regiones de
bajo campo magnético axial, que es donde podría iniciarse la descarga en primera instancia. Gracias a este
fenómeno, el efecto de mitigación de multipactor de un imán cilíndrico hueco resultó muy similar al del
campo magnetostático axial y uniforme considerado en la primera etapa del estudio. Este hecho se verificó
con una campaña experimental de medidas. Como consecuencia, se puede asumir que la aproximación de
que el multipactor se ve mitigado para frecuencias de RF por debajo del valor de la frecuencia de ciclotrón
también es válido en el caso del imán cilíndrico hueco.
El segundo bloque temático de esta tesis doctoral tiene como objetivo el estudio del efecto multipactor
en guías ridge y multiridge. Este tipo de guías tiene muchas aplicaciones en dispositivos de microondas y
RF. Por ejemplo, se usan tanto en aplicaciones de baja como de alta potencia, conformando las secciones
de filtros pasobanda o pasobajo. A su vez, esta clase de filtros son buenos candidatos para aplicaciones destinadas a las telecomunicaciones espaciales, debido a su tamaño compacto y a una buena respuesta en
la banda eliminada. Algunas de sus ventajas son amplio rango espectral de funcionamiento en régimen
monomodo, baja impedancia característica y una alta longitud de onda de corte para el modo fundamental.
Algunas aplicaciones concretas de estos filtros son, por ejemplo, como filtros preselectores antes de la
entrada a multiplexores, o como filtros supresores de armónicos después de transmisores y amplificadores,
especialmente en componentes a bordo de satélites.
Para llevar a cabo el estudio del efecto multipactor en este tipo de estructuras, se han elaborado las cartas
de susceptibilidad de multipactor para diferentes configuraciones de guías ridge y multiridge. En estas cartas
de susceptibilidad se representa el voltaje umbral de multipactor en función del producto de frecuencia de
RF por gap (típicamente el gap se mantiene fijo y es la frecuencia la que varía). Las simulaciones numéricas
requeridas para elaborar las cartas de susceptibilidad se han realizado con un software de uso comercial
denominado FEST3D. Respecto a las estructuras consideradas para las guías ridge y multiridge, las alturas
del gap elegidas suelen ser mucho menores que las dimensiones transversales, lo que implica que las estructuras
simuladas se aproximan bastante a una guía de placas plano-paralelas. A pesar de esto el análisis cubre
un amplio rango de alturas del gap que son interesantes en aplicaciones prácticas. Con respecto al número
de ridges (inserciones metálicas), se han considerado tres tipos de estructuras diferentes: ridge (un ridge),
ridge doble (dos ridges), y multiridge (tres ridges). Además, existe otra clasificación posible en función de
las dos configuraciones posibles: asimétrica (el ridge o ridges se sitúan solo en la superficie superior de la
guía) y simétrica (el ridge o ridges se sitúan tanto en la cara superior como inferior de la guía). Las cartas de
susceptibilidad exploran la variación del umbral de multipactor con los dos parámetros fundamentales que
caracterizan la geometría de la guía ridge: la altura del gap y la anchura del ridge. Así mismo, se presenta
un método sencillo para predecir el voltaje umbral de multipactor en estructuras complejas que contengan
varias secciones de guías ridge o multiridge. Este procedimiento se constituye como una alternativa a la
simulación precisa del efecto multipactor sobre todo el componente, que puede requerir bastante tiempo de
cálculo. Mediante el uso de las cartas de susceptibilidad, y con el conocimiento de la distibución espacial del
campo electromagnético en el dispositivo, se puede obtener el voltaje umbral de multipactor en el puerto de
entrada del componente así como la localización en el interior del mismo donde se prevee la descarga. Este
método aproximado se aplicó a un filtro de modos evanescente y a un filtro en banda S para alta potencia,
encontrándose buena concordancia cuando los resultados obtenidos de esta forma fueron comparados con
la simulación del dispositivo completo en FEST3D. En consecuencia, el uso de las cartas de susceptibilidad
de las guías ridge y multiridge permite incrementar la capacidad de manejo de potencia del componente, en
comparación con las predicciones dadas por aproximaciones más simplistas como la guía de placas planoparalelas, que tiende a ser bastante conservativa para geometrías que difieren de dicha situación ideal. De
hecho, de acuerdo con las cartas de susceptibilidad obtenidas, la potencia umbral de la descarga para los filtros
de modo evanescente y para el filtro en banda S están 4 dB y 3.3 dB por encima de los valores obtenidos
mediante las aproximaciones de placas plano-paralelas, respectivamente.
El tercer tema a tratar es el análisis del efecto multipactor con señales moduladas digitalmente. Cabe
mencionar que la mayor parte de las publicaciones relacionadas con el efecto multipactor centran su interés
en el análisis de señales de RF armónicas en el tiempo con una sola señal portadora. Sin embargo, los sistemas
reales de comunicaciones espaciales mediante satélites trabajan con señales multiportadora, donde a
su vez cada una de las portadoras está modulada para usar eficientemente el espectro frecuencial disponible.
Estas señales pueden llegar a ser muy diferentes de una señal no modulada (es decir, de una señal armónica
pura) y, por lo tanto, las conclusiones provenientes de estudios de multipactor basados en señales armónicas
de una sola portadora podrían no ser aplicables cuando se emplean señales moduladas. A pesar de
este hecho, existe muy poca bibliografía que estudie multipactor con esta clase de señales. Por ello, en este
apartado se pretende estudiar el fenómeno multipactor en una guía de transmisión coaxial excitada con una
señal modulada digitalmente. Con este propósito se consideran algunos de los tipos de modulación digital
más empleados como son la Phase-Shift Keying (PSK), la Quadrature Amplitude Modulation (QAM), y la
Amplitude and Phase-Shift Keying (APSK).
Cabe destacar que el estudio del efecto multipactor con señales moduladas ha revelado un alto grado
de complejidad en relación con el resto de temas tratados a lo largo de esta tesis doctoral. En las señales
moduladas digitalmente, en contraste con el caso armónico, la envolvente de la señal varía en el transcurso
de la transmisión. Por tanto, la amplitud de la envolvente puede subir y bajar por encima del voltaje umbral
de multipactor del caso armónico en repetidas ocasiones. En aquellos intervalos de tiempo en que el voltaje
excede el umbral del caso armónico, la población de electrones en el interior del coaxial aumentará. Sin
embargo, en la situación opuesta, el número de electrones disminuirá, ya que serán principalmente absorbidos
por las paredes del componente. Debido a esto, en las simulaciones de multipactor es necesario tener en
cuenta y analizar cuidadosamente la forma de toda la señal transmitida, cuya duración suele ser muy larga
si la comparamos con los tiempos en los que se realizan las simulaciones para un escenario típico de una señal
armónica. Una consecuencia inmediata de este hecho es que se requieren tiempos de computación muy
grandes si se pretende simular el efecto multipactor a lo largo de toda la señal. Además de esto, la elección
del criterio teórico de multipactor para esclarecer si se ha producido la descarga llega a ser crítica cuando
se trata con señales moduladas. Para el caso de señales armónicas, la evolución en el tiempo del número de
electrones adquiere un comportamiento bien definido (crecimiento o decrecimiento exponencial) después de
un breve transitorio temporal. Por lo tanto, si se observa una tendencia creciente de estas características, la
población siempre seguirá aumentando hasta que la descarga sea detectada por los instrumentos de medida.
Teniendo en cuenta que la señal se extiende indefinidamente en el tiempo, no importa cómo de lento sea
el ritmo de crecimiento, la población (o densidad) electrónica requerida para la detección de la descarga se
alcanzará finalmente. Sin embargo, cuando está presente una señal modulada típicamente habrá intervalos
alternos de crecimiento y decrecimiento del número de electrones, dependiendo de la forma de la envolvente
de la señal. Así pués, la elección de la población (o densidad) electrónica que desencadena la descarga, es
decir, el criterio de multipactor, será decisivo a la hora de obtener teóricamente el voltaje umbral. A pesar de
la importancia que conlleva el conocimiento de la densidad electrónica crítica, que se traduce en la detección
de la descarga en el laboratorio, este tema aún no ha sido abordado con suficiente profundidad. De hecho,
tan sólo existen algunas publicaciones que tratan este asunto, pero desde un punto de vista meramente teórico
y sin el soporte de resultados experimentales. Para intentar sortear este inconveniente, se ha propuesto
un método indirecto para estimar la densidad electrónica existente durante la detección de la descarga en el
laboratorio, basándose en resultados de medidas del voltaje umbral de multipactor con señales de RF pulsadas.
Una vez conocido y establecido dicho valor como población límite de electrones para el criterio de
multipactor, se realizaron simulaciones de multipactor para un amplio rango de señales moduladas con los
tipos de modulación digital enumerados anteriormente. Los resultados teóricos obtenidos se contrastaron
posteriormente con una serie de medidas experimentales, observándose un buen acuerdo entre ambos. De
esta forma, se permitió validar tanto el algoritmo de simulación basado en el modelo de electrón individual,
como el nivel de población elegido como criterio de descarga. Además de las simulaciones númericas que
permiten obtener el voltaje umbral de multipactor con precisión, también se desarrolló un método aproximado,
basado en la integración de la envolvente de la señal, que permite estimar el umbral de multipactor.
Este procedimiento tan sólo requiere como datos de entrada los resultados de simulaciones de multipactor
para el caso de una señal armónica a la frecuencia de la portadora de RF. La principal ventaja que presenta
este otro método es que es mucho más rápido que las simulaciones de multipactor: las simulaciones numéricas
requieren varias horas de tiempo computacional, mientras que el método aproximado es capaz de
reducir esta cantidad a unos pocos minutos. Además, puede ser aplicado a cualquier tipo de señal modulada,
independientemente del tipo de modulación.
Finalmente, es importante mencionar que, hasta el momento actual, el estándar adoptado por la Agencia
Espacial Europea para estimar el umbral de multipactor en un componente excitado con una señal no armónica
pura se basa en la conocida como regla del "20-gap-crossing". Tras comparar las predicciones de esta
regla con los resultados tanto teóricos como experimentales presentados en esta tesis doctoral, se comprueba
la ineficacia de esta regla en el ámbito de las señales moduladas digitalmente.
El cuarto bloque temático de la presente tesis doctoral versa sobre el análisis del efecto multipactor en
guías de placas plano-paralelas que contienen una lámina de ferrita magnetizada. Este estudio pretende ser
un primer paso hacia la compresión del multipactor en estructuras más complejas que contienen ferritas
magnetizadas, como es el caso de algunos tipos de circuladores, aislantes y variadores de fase. De hecho,
hasta hoy en día no existe un conocimiento profundo de la fenomenología de multipactor en dispositivos que
contengan ferritas. La industria europea suele usar grandes márgenes de potencia (para evitar la aparición del
multipactor) cuando en el dispositivo hay presencia de dielectricos o ferritas. Así pues, los componentes que
contienen ferritas sólo se pueden analizar en base a aproximaciones cuya validez no ha sido aún demostrada.
Las propiedades magnéticas anisótropas de las ferritas, junto con el campo magnético estático externo
que se emplea para su magnetización, tienen efectos notorios en las trayectorias de los electrones y, por
consiguiente, en el voltaje umbral de multipactor del dispositivo. En este trabajo se han considerado dos
direcciones diferentes para el campo externo de magnetización: paralelo y normal a la lámina de ferrita. En
ambos casos se han encontrado cambios sustanciales en el umbral de voltaje de multipactor con respecto al
caso sin lámina de ferrita ni campo magnético externo. Además, la forma de las curvas de susceptibilidad
depende de la orientación del campo de magnetización.
Por una parte, con la orientación del campo magnético paralela a la lámina de ferrita se observa una
mitigación de la descarga para valores bajos del producto frecuencia por gap. Sin embargo, si aumenta el
producto frecuencia por gap, el efecto multipactor hace su aparición incluso a valores del voltaje de RF
inferiores al caso clásico de placas plano-paralelas. Además, se observa que cuanto mayor es la intensidad
del campo de magnetización mayor es el rango en el que se suprime la descarga.
Por otro lado, cuando el campo magnético se orienta en la dirección normal a la lámina de ferrita no se
aprecia ninguna región de mitigación de la descarga. De hecho, para valores bajos del producto frecuencia
por gap la curva de umbrales de multipactor del caso con ferrita y sin ferrita se solapan. Sin embargo, a
medida que aumenta el producto frecuencia por gap la curva del caso con ferrita tiende a situarse por debajo
del caso sin ferrita. Así mismo, se registra una considerable disminución en el voltaje umbral de multipactor
cuando la frecuencia de RF se aproxima al valor de la frecuencia de ciclotrón. Este efecto es debido al
fenómeno de la resonancia de ciclotrón, que permite al electrón maximizar su energía cinética a expensas
del campo eléctrico de RF cuando se satisfacen las condiciones de resonancia. La profundidad del mínimo
en el umbral de multipactor es mayor conforme mayor sea el valor del producto frecuencia por gap al cual
ocurre. Por ejemplo, se pueden encontrar diferencias de hasta 37 dB con respecto a la situación sin ferrita.
Estos valores pueden llegar a exceder incluso los márgenes de seguridad más conservadores, provocando
el riesgo de que aparezca una descarga en el dispositivo durante su funcionamiento si no se ha hecho un
estudio adecuado.
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