Inleiding

In de ruimtevaart worden voor de lancering alle apparatuur en onderdelen nauwkeurig gemeten. Met name wordt vastgesteld of zij bestand zijn tegen de omstandigheden tijdens de missie in vacuüm. In een satelliet worden tegelijkertijd meerdere hoge RF vermogensbronnen toegepast. Voor die onderdelen van de satelliet, die gevoelig zijn voor RF straling, wordt voor de lancering onderzocht of er zich tijdens de vlucht in het vacuüm geen zogenaamde MultiPactor effecten voordoen.

Voor de communicatie naar de aarde heeft een satelliet meerdere RF kanalen tegelijkertijd in gebruik. Hierbij is niet elk kanaal voorzien van een eigen zendantenne. In het algemeen wordt gebruik gemaakt van een gemeenschappelijke antenne. Dit wordt voornamelijk toegepast om gewicht te sparen. Het brengt echter wel met zich mee dat er speciale aandacht gegeven moet worden aan het uitgangscircuit waarin alle signalen tegelijk naar de antenne lopen. Om de goede werking te garanderen worden in dit uitgangscircuit vaak onderdelen zoals cavity-filters en isolators toegepast.

Doordat er tegelijkertijd meerdere zendkanalen op verschillende frequenties in gebruik zijn, zal er op bepaalde momenten een situatie ontstaan waarbij alle signalen met elkaar in fase zijn. Hierdoor ontstaan grote vermogenspieken in het uitgangscircuit naar de antenne (zie figuur 1 en 2). Het ritme waarin deze pieken ontstaan, hangt van de frequenties van de kanalen af, de gebruikte vermogens, en de faserelatie tussen de verschillende kanalen.

Figuur 1 - Voorbeeld van een 'in-fase' Multi Carrier signaal

Doordat de gehele satelliet zich in een vacuüm bevindt, kunnen deze vermogenspieken grote gevolgen hebben indien niet vooraf onderzocht wordt of de gebruikte componenten in vacuüm deze spanningspieken kunnen verwerken. Het ontstaan van het MultiPactor effect is niet alleen afhankelijk van de gebruikte RF signalen maar ook van de mechanische afmetingen en vooral de afstand tussen de sterke E-velden.

Figuur 2 - Voorbeeld van een 'parabolic' Multi Carrier signaal

Afhankelijk van al deze parameters kan op kritische locaties in het component een vrije elektronresonantie ontstaan. Dit kan bijvoorbeeld voorkomen tussen de bovenkant van een cavity resonator en de wand van de cavity (zie figuur 3). Indien de omstandigheden van de RF signalen een exponentiele groei van het aantal vrije elektronen veroorzaakt, zal dit eindigen in een kortsluiting in de cavity waardoor de satelliet onbruikbaar wordt.

Figuur 3 - Vrije elektronen aan de bovenzijde van de cavity resonator

Het meten van MultiPactor in het laboratorium

Figuur 4 - MultiPactor opstelling met een Nulling Test systeem

In bovenstaand schema is de opstelling weergegeven waarmee een MultiPactor test uitgevoerd kan worden. Het signaal vanuit een RF signaal generator, wordt versterkt in de High Power Amplifier (HPA) en via een Dual Directional Coupler op de Device Under Test (DUT) aangesloten. De DUT bevindt zich in een vacuümkamer waarin de werkelijke gebruiksomstandigheden kunnen worden geanalyseerd.

Stel dat onder normale gebruiksomstandigheden (en zonder het MultiPactor effect) de S11 van de DUT (ingangs impedantie) een reflectie van -25dB geeft. Als de afkoppelwaarden van de twee poorten op de coupler gelijk zijn, zullen de twee signalen forward (F) en reflected (R) zich in deze ratio verhouden.

Welke functie vervult het nulling-systeem nu? Als eerste stap worden door middel van programmeerbare stappenverzwakkers de amplitude waarden van het forward en reflected signaal met elkaar gelijk gemaakt. Vervolgens wordt één van de twee signalen in fase gedraaid zodanig dat ϕF en ϕR exact 180 graden ten opzichte van elkaar verschoven worden. Worden deze twee signalen vervolgens bij elkaar opgeteld dan zullen zij elkaar opheffen. Dit effect is waar te nemen op een spectrum analyser. Het signaal op de testfrequentie zal hierbij in de ruis verdwijnen.

Nadat het nulling-proces is uitgevoerd, wordt stapsgewijs het vermogen naar de DUT verhoogd. Het nulling systeem moet deze veranderingen constant volgen om de 'nul' op het scherm van de Spectrum analyser te behouden. Dit wordt in het te ontwikkelen model handmatig gedaan. DARE!! Development onderzoekt momenteel of dit nulling-proces automatisch uitgevoerd kan worden in een zogenaamde Auto-Track mode. Hierbij wordt de drift van de nul automatisch gecompenseerd zodat de detectiestand van het systeem behouden blijft.

Op het moment dat in de DUT een MultiPactor ontstaat, zal de reflectie (S11) in amplitude EN fase veranderen doordat de vrije elektronenwolk in de DUT een (gedeeltelijke) kortsluiting laat ontstaan. De balans verdwijnt en het signaal wordt direct zichtbaar op de spectrum analyser. Hiermee is doorslag aangetoond.

Figuur 5 - Elektronen evolutie afhankelijk van het vermogen op de DUT (FEST3D, Aurorasat SRL, Spanje)

Hoe het groeien van de elektronenwolk verloopt als functie van het vermogen, wordt inzichtelijk gemaakt in figuur 5. Geheel links staat de tabel met het oplopend vermogen in de test. Rechts van de tabel wordt in de grafiek weergegeven hoe de elektronendichtheid zich gedraagt als functie van de tijd.

In de DUT is wordt door middel van zogenaamde "Electron Seeding", een aantal vrije elektronen opgewekt (100), waarna bekeken wordt wat er met deze vrije populatie gebeurd onder de invloed van het aangebrachte RF veld. De meeste lijnen (lage RF vermogens) lopen weer terug naar nul. De vrije elektronenwolk sterft in een aantal nano seconden als het ware af. Zoals in de grafiek te zien is, treedt bij 1 MWatt voor het eerst een zogenaamde "Break Down" op. Door middel van een "successive approximation analysis" wordt vervolgens door de software het vermogen gevonden waarbij voor het eerst de multipactor zal optreden.

Realisatie

Figuur 6 - Het RadiCentre systeem van DARE!!

Het nu te ontwikkelen nulling-systeem zal worden gerealiseerd als een nieuwe plug-In card voor het modulaire RadiCentre systeem. Hiermee realiseert DARE!! voor dit multifunctionele meet platform een unieke oplossing binnen een geheel nieuwe markt (niet EMC gerelateerd).