Passive Intermodulation at Junctions

Workshop: High Power Issues of Microwave Filter 

Design and Realization 

Carlos Vicente* & Hans L. Hartnagel†

(E­mail: carlos.vicente@uv.es)

* Universidad Politécnica de Valencia† Technische Universität Darmstadt

IMS2007

Outline

• Introduction & Motivation

• PIM Basics

• Theoretical PIM results at Metallic Contacts

• Experimental PIM results at Flanges

• Conclusions & Future Research Directions

2

Introduction

 Higher risk of PIM distortion.

 Number of carriers increases.

 Output power also rises.

 Dimensions of the components decrease.

 As time goes by:

 This leads to:

3

Motivation

 Many fundamental aspects of PIM remain unknown.

 Extremely difficult to assess quantitatively.

 No models exist.

 Becomes more important in future missions. 

4

PIM Basics

Two separated frequency bands in satellites.

Transmission band: high power.

Reception band: low power.

Tx Rx5

PIM Basics

Two separated frequency bands in satellites.

Transmission band: high power.

Reception band: low power.

Any practical system: Non­linear:

Tx Rx

I

V

I = a0+a

1V+a

2V2+a

3V3+...

6

PIM Basics

Two separated frequency bands in satellites.

Transmission band: high power.

Reception band: low power.

Any practical system: Non­linear:

Harmonics and IM products

Tx IM products distort Rx.

Tx RxIM

I

V

fint = mf2+nf1

|m|+|n|=N (PIM order)

I = a0+a

1V+a

2V2+a

3V3+...

7

PIM Basics 

➔  PIM phenomena[Foord]:

  Tunnelling  Thermionic emission  Fritting

Fretting

FerromagneticThermalIonizationField emission 

Contact phenomena

Non­contact phenomena

8

PIM Basics

 PIM sources:

  Ferromagnetic materials.

  Metallic contacts.

  Voids or cracks discharges

  Thermal effects

9

PIM Basics

 PIM sources:

  Ferromagnetic materials.

  Metallic contacts.

  Voids or cracks discharges

  Thermal effects

10

PIM Basics

 Metallic Contacts:

  Flanges [Cox, Vicente05a]

  Tuning screws

Deployable reflector[Scialino]

  MEMS [Johnson]

11

PIM Basics

 Metallic Contacts:

  Flanges

  Tuning screws

Deployable reflector

  MEMS

THEORY

12

PIM Basics

 Metallic Contacts:

  Flanges

  Tuning screws

  Deployable reflector

MEMS

THEORY

EXPERIMENTS

13

PIM at Metallic Contacts 

Irregularities reduce the total area of contact.

Contaminant layers on the surface preventthe formation of Ohmic contacts.

METAL A

METAL B

14

PIM at Metallic Contacts [Vicente05b]

Irregularities reduce the total area of contact.

Contaminant layers on the surface preventthe formation of Ohmic contacts.

RC

Cc

Rnl­c

Rcons

Rnl­n­c

Cn­c

Equivalent circuit:

METAL A

METAL B

15

Theoretical PIM Results at Metallic Contacts 

PIM vs. Hardness

PIM vs. Thickness oxide layer

Hardness PIM:

The softer the material the easier it is deformed,increasing the area of contact and reducing the current density.

Thickness PIM:

If the oxide layer is thin, the contact resistance is lower.

Care: The process can depend on the thickness.(e. g. Tunnelling).

16

Theoretical PIM Results at Metallic Contacts 

PIM vs. Roughness

PIM vs. Cracking

Cracking PIM:

The ability to break the oxide layer to form MM contacts has a strong impact in the PIM response.

Roughness PIM:

Impact basically at low contact pressures.

Care: Rougher surfaces can lead to a higher degree of cracking, reducing the PIM level.

17

Theoretical PIM Results at Metallic Contacts 

PIM vs. Pressure

PIM vs. Freq.

PIM level trend changes depending on its source.

Two disconnected processes can easily coexist.

High PIM orders lead to more PIM frequencies.

There can be influence of high PIM orders into the lower ones.

Higher PIM level at lower frequencies due to the proximity to the cut­off frequency.

18

PIM vs. Combined Power PIM vs. Power Ratio

 PIM vs. Combined power:N dB/dB rule.

• fint = mf2+nf1

• |m|+|n|=N (PIM order)

Theoretical PIM Results at Metallic Contacts 

Nm/n

 PIM vs. Carrier power ratio:  Maximum at: P2 = (m/n)*P1

 Slopes: m, n19

PIM vs. Combined Power PIM vs. Power Ratio

● Curves valid if:No higher PIM orders contribute.No change of contact properties.

Theoretical PIM Results at Metallic Contacts 

Nm/n

• fint = mf2+nf1

• |m|+|n|=N (PIM order)

20

Theoretical PIM Results PIM Software as a module of ESA/ESTEC FEST3D Software

 Courtesy of ESA/ESTEC 21

Experimental PIM Results at Flanges[Vicente07] 

Aluminium waveguides and Ag­plated aluminium waveguides. 

• f1 = 11.21 GHz , f2 =11.895 GHz , PIM = 12.58 GHz

• 2x170 W, noise level [­145, ­150] dBm

Gaskets of different materials:  Ag­plated, Indium, Gold,...

22

Test set­up[Wolk]

 2x170 W, noise level [­145, ­150] dBm

23

Courtesy of Tesat­Spacecom

Test set­up Input section

Output section

24

Experimental PIM Results at Flanges Aluminium Waveguides + Al Gasket: 60 W

Aluminium Waveguides + 2 Al Gasket: 60 W Aluminium Waveguides + In Gasket: 60 W

Aluminium Waveguides: 60 W

25

Experimental PIM Results at Flanges Aluminium Waveguides: 4 Ncm

Discrepancy with the N dB/dB rule:

1) Higher order modes?

2) Change of contact properties (increase of Temperature).

Aluminium Waveguides: 80 Ncm

26

Experimental PIM Results at Flanges Aluminium Waveguides: 4 Ncm

Aluminium Waveguides: 4 Ncm: P = 100 W

Aluminium Waveguides: 80 Ncm

Aluminium Waveguides: 4 Ncm: P = 170 W

27

Ag­plated Waveguides: 340 W

Ag­plated Waveguides + 2 Ag Gaskets: 340 W

Ag­plated Waveguides + Ag gasket: 340 W

Experimental PIM Results at Flanges 

28

PIM in silver contacts is independent of applied torque (contact pressure).

Only including two gaskets, the PIM level can be driven below the noise level.

Ag­plated Waveguides: 340 W

Ag­plated Waveguides + 2 Ag Gaskets: 340 W

Ag­plated Waveguides + Ag gasket: 340 W

Ag­plated Waveguides + In Gasket: 340 W

Experimental PIM Results at Flanges 

29

Experimental PIM Results at Flanges 

Seal of the flanges:

Without gasket With a flat gasket

30

Seal of two plates separated by a single screw[Song]:

rc = BT+LP/2Song et al. 

It holds for clean surfaces:

Independent of material properties and applied pressure!! 

         PIM independent of applied torque!!

rc: radius of contactBT: bolt radiusLP: flange thickness 

31

Experimental PIM Results at Flanges 

Our application:

Insertion of gaskets        Effective increase of flange thickness.

Rule of thumb (conservative?):

Distance between screws lower than 2*rc

DUT flanges do not accomplish such a rule        PIM.

Interface flanges do        NO PIM.

32

Experimental PIM Results at Flanges 

Conclusions & Future Research Directions

• PIM theory at Metallic Contacts presented.

• Significant contribution to PIM at flanges.

• More tests with other configurations.

• Low­weight PIM­free flanges design.

33

Acknowledgements

34

● European Commission:●  “Milimetre­wave and Microwave Components Design Framework     for Ground and Space Multimedia Network, RTN1­1999­00105.

● European Space Agency (ESA):●  “Multipactor and Corona discharge: Prediction, Simulation and      Design in Microwave Components”, Contract No. 18827/02/NL/EC.

●  “Surface Treatment and Coating for the Reduction of Multipactor      and Passive Intermodulation (PIM) Effects in RF Components”,      Contract No. 17025/03/NL/EC.

● Tesat­Spacecom GmbH & Co. KG:●  For providing the measured data.

Selected References

35

● [Cox] R. D. Cox, “Measurement of Waveguide Component and Joint Mixing Products in 6 GHz   Frequency Diversity Systems,” IEEE Transactions on Communication Technology, vol. 18,  pp. 33­37, 1970.

● [Vicente05a] C. Vicente and H. Hartnagel, “Passive­Intermodulation Analysis Between Rough   Rectangular Waveguide Flanges,”  IEEE Transactions on Microwave Theory and  Techniques, vol. 53, pp. 2515­2525, August, 2005.

● [Vicente05b] C. Vicente “Passive Intermodulation and Corona Discharge for Microwave  Structures in Communications Satellites,” PhD. Thesis, Technical University of Darmstadt,   Darmstadt, Germany, 2005.

● [Vicente07] C. Vicente, D. Wolk, H. L. Hartnagel,  B. Gimeno, V. Boria and D. Raboso,   “Experimental Analysis of Passive Intermodulation at Waveguide Flange Bolted   Connections,” to be published in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,   May, 2007.

● [Wolk] D. Wolk, “Surface Treatment and Coating for the Reduction of Multipactor and Passive   Intermodulation (PIM) Effects in RF Components”, Final Report ESA/ESTEC Contract No.  17025/03/NL/EC.

Selected References

36

● [Johnson] J. Johnson, G. G. Adams and N. E.McGruer, “Determination of Intermodulation  Distortion in a MEMS Microswitch,” IEEE MTT­S International Microwave Symposium Digest  2005.

● [Scialino] G. L. Scialino, V. Lubrano, F. Silvestrucci, E. Fei, A. Cherniavsky, D. Raboso, K. v.   't Klooster, A. Drobishev, K. Vasilyev, “Presentation of Passive Intermodulation activities within  the large deployable reflector study,”  5th International Workshop on Multipactor, Corona and   Passive Intermodualtion in Space RF Hardware, 12­14 Septemeber 2005, ESA­ESTEC, The  Netherlands.

● [Song] S. Song and K. P. Morgan, “Thermal and electrical resistances of bolted joints between   plates of unequal thickness,” Semiconductor Thermal Measurement and Management  Symposium, 1993, SEMI­THERM IX., Ninth Annual IEEE, pp 28­34, February 1993