High-Power C-Band Waveguide Circulator for Space Applications
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-05-20
Department
Major/Subject
Microwave Engineering
Mcode
ELEC3051
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
67
Series
Abstract
The European Space Agency (ESA) has recognised a need for high-power circulators in future Earth observation missions, operating at C-band (4 – 8 GHz). These circulators will be a crucial part of the radio frequency (RF) chain in future high-resolution interferometric instruments, providing protection for the transmitter from any reflected waves. These passive components often utilise magnetically biased anisotropic ferrite materials to obtain the desired non-reciprocal behaviour at microwave frequencies. There are three distinct high-power issues related to waveguide ferrite circulators: multipactor, spin-waves and thermal effects on ferrites. Multipactor is an electron discharge in vacuum, which may lead to an increase in noise level or to a mechanical failure of the waveguide. Spin-waves cause significant losses in ferrites biased below the ferrimagnetic resonance. Moreover, ferrites are highly temperature-dependent materials, and therefore their material properties may change when excited with an RF signal. All of these aforementioned issues need to be considered already in the design phase of the circulator. This thesis presents a complete design procedure of a high-power C-band ferrite junction circulator for space applications. This includes the electromagnetic, magnetostatic and high-power design of both above and below resonance circulators in electromagnetic simulation software. The simulation results show that superior RF and high-power performance can be achieved with the below resonance circulator. A bandwidth of 113 MHz and a power rating of 35 kW were achieved in the simulations. Hence, the below resonance circulator was chosen for manufacturing. The RF performance of the manufactured circulator was measured with a vector network analyser. The bandwidth of the circulator was 114 MHz in room temperature. Additionally, the thermal behaviour of the circulator was tested in a thermal chamber. The RF performance deteriorated slightly at temperatures lower than the room temperature, but the circulator fulfilled the required levels in the RF optimisation range of 0 – 40 °C.Euroopan avaruusjärjestö (ESA) on tunnistanut tarpeen korkeatehoisille kiertoelimille tulevissa kaukokartoitusmissioissa, jotka toimivat C-kaistalla (4 – 8 GHz). Kiertoelimet ovat olennainen osa radiotaajuusketjua tulevaisuuden korkean resoluution interferometrisissä mittalaitteissa, joissa ne suojaavat lähetintä heijastuvilta aalloilta. Yleensä epäresiprookkisuus näissä passiivisissa mikroaaltokomponenteissa saavutetaan käyttämällä magneettisesti biasoituja anisotrooppisia ferriittimateriaaleja. Korkean tehon aaltoputkiferriittikiertoelimien suunnitteluun liittyy kolme haastetta: multipactor-ilmiö, spin-aallot ja ferriittien lämpövaikutukset. Multipactor-ilmiö on elektronipurkaus tyhjiössä, mikä voi johtaa kohinatasojen lisääntymiseen tai jopa aaltoputken mekaaniseen vikaantumiseen. Spin-aallot aiheuttavat merkittäviä häviöitä ferriiteissä, jotka on biasoitu ferrimagneettisen resonanssin alapuolelle. Lisäksi ferriittien sähköiset ominaisuudet ovat lämpötilariippuvaisia, joten toimintalämpötila tai RF-tehohäviöt voivat vaikuttaa ferriittikomponentin toimintaan. Jokainen näistä edellä mainituista ongelmista on otettava huomioon jo kiertoelimen suunnitteluvaiheessa. Tämä diplomityö esittelee suunnittelumenetelmän korkeatehoiselle C-kaistalla toimivalle aaltoputkiferriittikiertoelimelle avaruussovelluksiin. Työ sisältää sekä ferrimagneettisen resonanssin ylä- että alapuolella toimivan kiertoelimen sähkömagneettisen, magnetostaattisen ja korkean tehon suunnittelun sähkömagneettisen simulaatio-ohjelmiston avulla. Simulaatiotulokset osoittavat, että ferrimagneettisen resonanssin alapuolella toimiva kiertoelin on parempi niin RF- kuin korkean tehon suorituskyvyn kannalta. Simulaatioissa saavutettiin 113 MHz kaistanleveys ja 35 kW teholuokitus. Näin ollen edellä mainittu kiertoelin valittiin valmistettavaksi. Kiertoelimen RF-suorituskyky mitattiin vektoripiirianalysaattorilla. Kiertoelimen kaistanleveys oli 114 MHz huoneenlämmössä. Lisäksi kiertoelimen lämpökäyttäytyminen testattiin lämpökammiossa. Mittaukset osoittivat, että kiertoelimen RF-suorituskyky heikkenee hieman huonelämpötilaa alhaisemmissa lämpötiloissa, mutta kiertoelin täytti määritellyt vaatimukset RF-optimointialueella 0 – 40 °C:ssa.Description
Supervisor
Viikari, VilleThesis advisor
Sharifian Mazraehmollaei, MasoudSalo, Sampo
Keywords
circulator, ferrite, high-power, multipactor, vacuum