※本ブログは、SIMULIA Blog （英語版）で既に発表されたブログの日本語参考訳です。
はじめに
今日、通信衛星システムにおけるマイクロ波の応用では、より高速な伝送速度が求められています。これは、より広い帯域幅、より高い周波数、そしてより高い電力レベルを使用することで実現されます。これらの傾向はすべて、コンポーネント内部での電界密度の増加につながり、結果としてRFブレークダウンに関する深刻な問題を引き起こします。
特に、ガスブレークダウンは、高電界領域を囲むガスがイオン化されることによって電子プラズマが形成されるプロセスです。衛星の用途では、真空状態で動作するため、この現象は特定の状況下でのみ発生します。例えば、打ち上げ時にテレメトリ、追跡、制御（TTC）システムがオンになり、ガスブレークダウンが発生する可能性があります。さらに、再使用可能な打ち上げシステムの再突入機や、火星などの太陽系天体の探査の場合のガスブレークダウンへの注目が高まっています。
マイクロ波コンポーネントでのガス放電の影響は重大な問題を引き起こします。まず、反射された電力が大幅に増加し、これが電源に損傷を与える可能性があります。さらに、この高い反射率により温度が著しく上昇し、デバイス自体が焼損する恐れがあります。ガス放電の防止には、衛星サブシステムの慎重な設計が必要です。したがって、マイクロ波設計者は、特定のデバイスが放電を発生させずに耐えられる最大入力電力を決定する必要があります。
ベンチマーク例を説明する前に、私たちがプロセス全体で使用した特定のツールを紹介します。
SIMULIA 電磁界シミュレーション技術
Fest3Dは、導波管および同軸キャビティ技術に基づいた複雑な受動マイクロ波コンポーネントを非常に効率的に解析できるソフトウェアツールです。この効率性は、分割統治アプローチによって達成されます。まず、デバイスの異なる部分やセクションは最も効率的な方法で解決されます。これらの個々のコンポーネントはインターフェース上で小さなブロックとして表示されます（図1参照）。次に、これらのコンポーネントは図1に示された線で互いに接続されます。インターフェース（ポート）では、あるコンポーネントから次のコンポーネントへのフィールド結合が電磁（EM）モード展開を用いて計算されます。
Fest3Dはその解析機能に加えて、導波管技術に基づいたバンドパス、デュアルモード、ローパスフィルタの設計を簡素化する高度な自動合成ツールも提供します。
Spark3Dは、さまざまな受動デバイスにおけるRFブレークダウン電力レベルを決定するための独自のシミュレーションツールです。Fest3DおよびCST Studio Suite®からの電磁場の結果をSpark3Dに直接インポートして、真空ブレークダウン（マルチパクタ）およびガス放電（コロナ）を解析することができます。Spark3Dは、デバイスがRFブレークダウンを引き起ことなくデバイスが耐えることができる最大電力を計算します。
ベンチマークで使用されるローパス フィルターの設計
Exens Solutions社（Gradignan工場）のマイクロ波RFの専門家は、Fest3Dを使用してカットオフ周波数21 GHzのコルゲート導波管ローパスフィルタを設計しました。図1では、モデルの3Dビューと電気的応答を示しています。このフィルターにおいて、Fest3Dは1秒未満で全周波数範囲におけるSパラメータを計算します。
高電力解析を実行するための最初のステップは、デバイス内部の電磁界分布を計算することです。例として、図 2 に 19.375 GHz での電界分布を示します。最大電界強度の位置は通常、放電の位置を示します。この場合、最大電界強度はデバイス中央の最も狭い部分で発生します。
電磁界分布の計算が完了すると、高電力解析に進むことができます。Spark3D を使用して、次の条件下でガスブレークダウン閾値を計算しました。
- ガス環境: 乾燥空気
- 圧力範囲: 10 ～ 45 mBar
- 周波数範囲: 19 ～ 20 GHz (電磁界分布は 19、19.5、20 GHz で計算)
図 3 は、3 つの異なる周波数での圧力に対するブレークダウン電力レベルを示しています。最小値は約 25 mBar で、入力電力は 105 W に近い値で発生します。
高出力試験
RF設計および高電力試験の専門家がExens Solutions社（Gradignan工場）の施設で測定を行いました。このコロナテストの目的は、Spark3D解析で予測された値を検証し、確認することでした。
試験装置の部品および一部は、装置の内部圧力を臨界圧力(ブレークダウン電力が最小になる圧力、図3参照)付近のレベルに下げるために、真空チャンバー内に配置されました。その範囲（約20 mBar）に達した後、10 mBar～30 mBarの圧力サイクルが適用されました。図4に、時間経過に伴う圧力プロファイルを示します。ご覧の通り、試験時間は約6時間でした。各圧力サイクルで、ローパスフィルタの入力電力が増加しました。
測定システムは、放電を検出するために、リターンロス、挿入損失、デバイスの温度など、さまざまな試験データを監視しました。図5は、テストベンチ内の被試験装置（DUT）の画像を示しています。測定されたブレークダウン電力レベルは、19〜20 GHzの周波数帯域で115 W～120 Wであることが分かりました。これは、図3に示されたシミュレーションデータと非常に良く一致しており、そのデータでは最小ブレークダウン電力レベルが約105 Wで、0.4〜0.6 dBの安全マージンが確保されています。
図 6 では、試験期間中のリターン ロスと、放電が発生したときの急激な変化 (試験開始から約 6 時間後)を示しています。
図7は、試験期間中の入力電力に対するDUTのリターンロスと温度を示しています。グラフは、リターンロスと温度が瞬時に上昇する放電の瞬間を明確に示しています。
試験後、ローパスフィルタを開いて放電の発生場所を特定しました（図8参照）。損傷した側は入力電力ポートに対応しています。実際、ブレークダウンはデバイスの中央付近で発生し、そこでは信号反射が増加し、入力ポートに向かって定常波が生成されました。これにより、その領域で電界が増加し、放電が促進され、温度が上昇し、最終的にデバイス表面が焼損しました。
まとめ
このブログ記事では、ガス放電に関するSpark3D解析の精度を示すベンチマークの結果を紹介しました。このベンチマークでは、Ka-band で動作するローパス導波管フィルターに関して、Spark3Dのブレークダウン結果と、Exens Solutions社が行った測定結果を比較しています。シミュレーション結果と試験データとの比較は、約0.5 dBのマージンで一致しています。
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3Dソフトウェア市場におけるパイオニアであり、3DとPLMソリューションのワールド・リーダーであるDassault Systèmes（仏）の日本法人です。