Microwave Breakdown and High-Power Handling Capability of Circular Waveguide Cavity Filter

In this paper, a mircrowave breakdown of X-band circular waveguide cavity filter, which occurred during ground test, was introduced, and electro-magnetic field simulation results to identify a root cause, and the analysis of possibility of its occurrence on orbit operation were presented. Filter modeling for simulation was conducted with a commercial tool (FEST3D), and electric fields inside the filter were monitored at the input of 1 W continuous wave. In our observation, strong electric field intensities were monitored on the tuning screws especially at the input of band-edge frequencies. The threshold power levels for the breakdown were also estimated and compared with the input power levels actually injected to the filter. From this estimation, we could figure out that the power exceeding the breakdown threshold was injected to the filter so that strong electric fields were generated and temperature increased high, and this became a root cause of the electrical short. Our further analysis showed that this kind of microwave breakdown is not likely to occur on orbit operation, and multipactor is expected not to occur at the input of band-edge frequencies. As a measure to prevent the microwave breakdown, we suggested to avoid the injection of band-edge frequencies and inject lower power levels to the filter.

원통형 도파관 캐비티 필터의 마이크로파 방전과 고전력 취급 능력

본 논문에서는 지상에서 시험 중에 발생한 X-대역 원통형 도파관 캐비티 필터의 방전을 소개하고, 원인 분석을 위하여 수행한 전자장 시뮬레이션 결과와 실제 운용궤도에서의 발생 가능성에 대하여 분석한 내용을 기술하였다. 전자장 시뮬레이션을 위하여 상용 툴(FEST3D)을 이용하여 필터를 모델링하고 대역폭 안팎의 주파수 신호(1 W Continuous Wave)를 입력하면서 필터 내부의 전계를 살펴보았다. 이 결과, 대역폭 중심보다는 가장자리(band edge) 주파수 신호가 입력되었을 때 필터 내부의 튜닝 스크류에서 더 강한 전계가 형성되는 것으로 나타났다. 그리고 방전 임계 전력을 산출하여 필터에 실제 입력된 전력과 비교해 본 바, 방전 임계값을 초과하는 전력이 필터에 입력되었고 이에 따라 강한 전계가 발생하고 온도가 급격히 상승하여 전기적인 단락으로 이어진 것으로 파악되었다. 추가적인 분석 결과 이 방전은 실제 운용궤도에서는 발생할 가능성이 낮고, band edge 주파수가 필터에 입력되더라도 멀티팩터(multipactor) 현상은 일어나지 않을 것으로 예측되었다. 지상에서 일어날 수 있는 마이크로파 방전에 대한 대책으로서 band edge 신호 입력을 피하거나 전력 레벨을 낮게 입력하는 방법을 제안하였다.