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वेवगाइड के सिरे पर खुला भाग (Opening at Waveguide End)
ओपन-एंडेड वेवगाइड फ़ीड सबसे मौलिक और सहज फीडिंग विधियों में से एक है। कल्पना करें कि बस एक मानक आयताकार वेवगाइड (जैसे X-बैंड के लिए सामान्य WR-90 जो 8.2 से 12.4 GHz पर काम करता है) की लंबाई को काट दिया जाए और खुले सिरे का उपयोग ही रेडिएटर के रूप में किया जाए। यह सरलता इसका सबसे बड़ा फायदा है, जो कई अनुप्रयोगों के लिए एक त्वरित और कम लागत वाला समाधान प्रदान करता है। इसका विशिष्ट लाभ (gain) 10 से 15 dBi तक होता है, जिसकी औसत एपर्चर दक्षता 60% से 70% होती है। हालाँकि, इस मूल डिज़ाइन में एक महत्वपूर्ण व्यापार-बंद (trade-off) शामिल है: बिना किसी अतिरिक्त तत्व के, ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा (~10-15%) एपर्चर पर अचानक प्रतिबाधा परिवर्तन के कारण वापस गाइड में परावर्तित हो जाता है, और यह अपेक्षाकृत चौड़े बीम और ध्यान देने योग्य साइडलोब के साथ विकिरण करता है।
खुले सिरे के साथ मुख्य चुनौती इसका अंतर्निहित प्रतिबाधा बेमेल (impedance mismatch) है। वेवगाइड की विशेषता प्रतिबाधा स्वाभाविक रूप से मुक्त स्थान (free space) के 377-ओम प्रतिबाधा से मेल नहीं खाती है। यह बेमेल एक वोल्टेज स्टैंडिंग वेव रेशियो (VSWR) का कारण बनता है जो अक्सर इसके परिचालन बैंड में 1.5:1 से अधिक हो सकता है, जिससे -14 dB से भी बुरा रिटर्न लॉस होता है। यह केवल परावर्तन से 5% से अधिक की संभावित बिजली हानि के बराबर है, जिससे समग्र सिस्टम दक्षता कम हो जाती है।
इसे कम करने के लिए, एपर्चर को अक्सर फैलाया (flared) जाता है। एक सामान्य अभ्यास हॉर्न संरचना को जोड़ना है, भले ही वह छोटी हो, जो एक क्रमिक प्रतिबाधा ट्रांसफार्मर के रूप में कार्य करती है।
एपर्चर आकार को मानक 1.0 x 0.5 इंच (WR-90 के लिए) से, उदाहरण के लिए, 2 इंच की लंबाई पर 1.5 x 1.1 इंच के फैले हुए उद्घाटन तक बढ़ाकर, VSWR को 1.2:1 से नीचे (रिटर्न लॉस -20 dB से बेहतर) तक सुधारा जा सकता है, जिससे परावर्तित शक्ति 1% से कम हो जाती है।
इसके अलावा, विकिरण पैटर्न प्रचारित हो रहे प्रभावी TE10 मोड पर अत्यधिक निर्भर करता है। ई-प्लेन (लगभग 0.5 इंच के छोटे आयाम के समानांतर तल) में आमतौर पर एच-प्लेन (लगभग 1.0 इंच के लंबे आयाम के समानांतर) की तुलना में बहुत व्यापक बीमविड्थ होती है, जो 10 GHz पर लगभग 60 डिग्री होती है। सिस्टम डिज़ाइन में इस विषमता का ध्यान रखा जाना चाहिए। फेज सेंटर भी एक निश्चित बिंदु नहीं है; यह फ़्रीक्वेंसी बैंड में कई मिलीमीटर (तरंग दैर्ध्य का ~5%) तक शिफ्ट हो सकता है, जो रिफ्लेक्टर फ़ीड जैसे उच्च-सटीकता वाले अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है।
अंदर से जांच (Probe) फीडिंग
प्रोब फीडिंग वेवगाइड्स को उत्तेजित करने के लिए एक अत्यधिक कुशल और सामान्य विधि है, खासकर उन अनुप्रयोगों में जिनमें एक कॉम्पैक्ट फॉर्म फैक्टर और 90-डिग्री फीड एंगल की आवश्यकता होती है। एक विशिष्ट जांच (प्रोब), अनिवार्य रूप से लगभग λ/4 (~7.5 मिमी 10 GHz पर) की लंबाई वाला एक छोटा प्रवाहकीय पिन, वेवगाइड की चौड़ी दीवार के माध्यम से डाला जाता है। यह पिन एक मोनोपोल एंटीना के रूप में कार्य करता है, जो समाक्षीय केबल के आंतरिक कंडक्टर से ऊर्जा को सीधे वेवगाइड के मौलिक TE10 मोड में जोड़ता है। इसकी सादगी बड़े वॉल्यूम के लिए अक्सर $5 से कम की इकाई लागत के साथ बड़े पैमाने पर उत्पादन को सक्षम बनाती है, जिससे यह 60% से अधिक वाणिज्यिक वेवगाइड-आधारित सिस्टम के लिए एक प्रमुख विकल्प बन जाता है।
एक जांच फ़ीड का डिज़ाइन और प्रदर्शन कई महत्वपूर्ण, मात्रा निर्धारित करने योग्य मापदंडों द्वारा नियंत्रित होता है जिन्हें इष्टतम संचालन के लिए सटीक रूप से ट्यून किया जाना चाहिए।
- जांच की स्थिति और प्रतिबाधा मिलान: वेवगाइड के भीतर जांच का स्थान प्रतिबाधा मिलान के लिए प्राथमिक नियंत्रण है। कुशल युग्मन के लिए स्टैंडिंग वेव के वर्तमान अधिकतम का लाभ उठाने के लिए इसे आमतौर पर शॉर्ट-सर्किटेड पिछली दीवार से लगभग एक चौथाई-तरंग दैर्ध्य (~7.5 मिमी 10 GHz पर) पर रखा जाता है। इस स्थिति को ±0.5 मिमी तक ठीक करने से इनपुट प्रतिबाधा 30 ओम तक बदल सकती है, जिससे इंजीनियर केंद्र आवृत्ति पर 1.15:1 से नीचे (रिटर्न लॉस -23 dB से बेहतर) VSWR प्राप्त कर सकते हैं। यह परावर्तित शक्ति को 1.5% से कम करता है।
- जांच का व्यास और बैंडविड्थ: जांच का भौतिक व्यास इसके अधिष्ठापन (inductance) और, परिणामस्वरूप, प्राप्य बैंडविड्थ को प्रभावित करता है। एक मानक जांच में 2 मिमी व्यास हो सकता है, जो 10-15% परिचालन बैंडविड्थ प्रदान करता है जहां VSWR 2:1 से नीचे रहता है। व्यास को 3 मिमी तक बढ़ाने से गुंजयमान Q-कारक कम हो सकता है, जिससे बैंडविड्थ संभावित रूप से 3-5% तक बढ़ सकता है, लेकिन इससे वेवगाइड के क्षेत्र वितरण में जांच का व्यवधान भी बढ़ जाता है।
- पावर हैंडलिंग और नुकसान: पावर हैंडलिंग क्षमता जांच के सतह क्षेत्र और परिणामस्वरूप वर्तमान घनत्व का एक सीधा कार्य है। एक 2 मिमी व्यास वाली पीतल की जांच आमतौर पर एक अच्छी तरह हवादार प्रणाली में कई सौ वाट औसत शक्ति को संभाल सकती है। हालाँकि, 1 kW से अधिक उच्च शक्ति स्तरों पर, प्रवेश हानि (insertion loss), जो अक्सर 0.1 dB और 0.3 dB के बीच होती है, महत्वपूर्ण हो जाती है, जो एक 7-15% बिजली हानि का प्रतिनिधित्व करती है जिसे थर्मल रूप से प्रबंधित किया जाना चाहिए। परिणामी गर्मी जांच के तापमान को परिवेश से 20-40°C तक बढ़ा सकती है, जिससे उच्च तापीय चालकता वाली सामग्री की आवश्यकता होती है।
अपनी प्रभावशीलता के बावजूद, जांच फ़ीड अपनी गुंजयमान प्रकृति के कारण स्वाभाविक रूप से एक संकीर्ण बैंड समाधान है। इसका प्रदर्शन विनिर्माण सहिष्णुता के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है; जांच की प्रवेश गहराई में 0.1 मिमी का विचरण केंद्र आवृत्ति को 0.5% तक बदल सकता है। यह रडार मॉड्यूल और सैटेलाइट ट्रांससीवर जैसे लगभग 80% वाणिज्यिक एंटीना उत्पादों के लिए पसंदीदा विकल्प है, जहां लागत, सादगी और 5-10 साल की उम्र तक विश्वसनीयता सर्वोपरि है, भले ही अल्ट्रा-वाइड बैंडविड्थ की आवश्यकता न हो।
वेवगाइड की दीवार में कटा हुआ स्लॉट
स्लॉट एंटीना फ़ीड वेवगाइड से सीधे ऊर्जा को विकीर्ण करने के लिए एक उल्लेखनीय रूप से कुशल और कम प्रोफ़ाइल वाली विधि है। एक उभरे हुए तत्व को जोड़ने के बजाय, इस तकनीक में वेवगाइड की धातु की दीवार में सटीक एपर्चर या स्लॉट काटना शामिल है। एक सामान्य गुंजयमान अर्ध-तरंग स्लॉट 9.5 GHz पर 16 मिमी लंबा हो सकता है, जो आंतरिक क्षेत्रों में न्यूनतम व्यवधान के साथ प्रभावी ढंग से विकिरण करता है। इस डिज़ाइन को इसकी यांत्रिक मजबूती, कम वायुगतिकीय खिंचाव, और सतहों में सहजता से एकीकृत होने की क्षमता के लिए सराहा जाता है, जिससे यह 70% से अधिक हवाई और नौसेना रडार प्रणालियों के लिए प्राथमिक विकल्प बन जाता है। इसका विनिर्माण, हालांकि सटीक है, मशीनिंग जटिलता के कारण एक साधारण जांच फ़ीड की तुलना में प्रति-इकाई लागत 20-30% अधिक हो सकती है।
एक स्लॉट एंटीना का प्रदर्शन कठोरता से परिभाषित ज्यामितीय और विद्युत चुम्बकीय मापदंडों के एक सेट द्वारा निर्धारित होता है। स्लॉट की चौड़ाई में 0.05 मिमी का विचलन भी गुंजयमान आवृत्ति को लगभग 0.3% तक बदल सकता है, जो उच्च-सटीकता वाले निर्माण की आवश्यकता को रेखांकित करता है।
- स्लॉट प्लेसमेंट और अनुनाद: स्लॉट की स्थिति और अभिविन्यास सीधे उसकी उत्तेजना शक्ति और ध्रुवीकरण का निर्धारण करते हैं। एक सामान्य किनारे वाला स्लॉट जो केंद्र रेखा से एक विशिष्ट ऑफसेट दूरी (उदाहरण के लिए, WR-90 गाइड के लिए 4 मिमी) पर चौड़ी दीवार में काटा जाता है, अनुप्रस्थ दीवार धाराओं को बाधित करेगा, जिससे विकिरण मजबूर होगा। गुंजयमान लंबाई आमतौर पर 0.45λ और 0.5λ (उदाहरण के लिए, 10 GHz पर 14-16 मिमी) के बीच होती है, जो वेवगाइड के आंतरिक ढांकता हुआ प्रभावों के कारण मुक्त-स्थान अर्ध-तरंग दैर्ध्य से ~10% कम होती है।
- प्रतिबाधा और बैंडविड्थ: एक एकल स्लॉट का इनपुट प्रतिबाधा आम तौर पर कम होता है, अक्सर 40-60 ओम की सीमा में। मानक 50-ओम फीडलाइन से मिलान करने के लिए, स्लॉट की लंबाई और चौड़ाई को ठीक करने की आवश्यकता होती है। एक मानक 1.5 मिमी चौड़ा स्लॉट VSWR < 2.0 के लिए ~5-7% की अपेक्षाकृत संकीर्ण व्यक्तिगत बैंडविड्थ प्रदान करता है। हालाँकि, स्लॉट को फेज्ड ऐरे कॉन्फ़िगरेशन में सावधानीपूर्वक व्यवस्थित करके, समग्र सिस्टम बैंडविड्थ को प्रभावी ढंग से 15% से अधिक तक बढ़ाया जा सकता है।
- बीम डायरेक्टिविटी और ऐरे इंटीग्रेशन: एक एकल स्लॉट एक विस्तृत, अर्धगोलाकार विकिरण पैटर्न प्रदर्शित करता है। इस तकनीक की वास्तविक शक्ति एरेज़ में अनलॉक होती है। 20 स्लॉट का एक विशिष्ट रैखिक ऐरे ऐरे प्लेन में 5-10 डिग्री की बीमविड्थ और 20 dBi से अधिक के लाभ के साथ एक पंखे के आकार का बीम (fan beam) उत्पन्न कर सकता है। स्लॉट तत्वों के बीच की दूरी, आमतौर पर 0.6λ और 0.9λ (उदाहरण के लिए, 18-28 मिमी) के बीच, अवांछनीय ग्रेटिंग लोब को दबाने के लिए महत्वपूर्ण है, जो यदि दूरी 0.95λ से अधिक हो जाती है तो साइड लोब प्रदर्शन को 3-5 dB तक खराब कर सकता है।
निम्नलिखित तालिका मानक X-बैंड (10 GHz) वेवगाइड स्लॉट एंटीना के लिए प्रमुख डिज़ाइन मापदंडों और उनके विशिष्ट मूल्यों को रेखांकित करती है:
| पैरामीटर | प्रतीक | विशिष्ट मूल्य सीमा | विचलन का प्रभाव |
|---|---|---|---|
| स्लॉट लंबाई | L | 14.5 – 16.0 मिमी | ±0.1 मिमी परिवर्तन गुंजयमान आवृत्ति को ~0.4% तक बदल देता है |
| स्लॉट चौड़ाई | W | 1.0 – 2.0 मिमी | चौड़ा स्लॉट बैंडविड्थ को ~1% तक बढ़ाता है लेकिन Q-कारक को कम करता है |
| केंद्र रेखा से ऑफसेट | d | 2.0 – 6.0 मिमी | उत्तेजना आयाम को नियंत्रित करता है; ±0.2 मिमी परिवर्तन विकिरणित शक्ति को ~8% तक बदल देता है |
| वेवगाइड दीवार की मोटाई | t | 1.0 – 1.5 मिमी | मोटी दीवारें बैंडविड्थ को ~2% तक कम करती हैं और द्रव्यमान को ~15% तक बढ़ाती हैं |
| तत्व रिक्ति (ऐरे) | S | 18 – 25 मिमी | 28 मिमी से अधिक रिक्ति -10 dB से कम दमन के साथ ग्रेटिंग लोब को प्रेरित कर सकती है |
यह फ़ीड प्रकार उच्च-प्रदर्शन वाले वातावरण में उत्कृष्ट प्रदर्शन करता है। इसके उभरे हुए हिस्सों की अनुपस्थिति हवा के भार और भेद्यता को कम करती है, जो 300 मीटर/सेकंड से अधिक गति से चलने वाले विमानों पर सिस्टम के लिए महत्वपूर्ण है। सभी धातु निर्माण उच्च शक्ति हैंडलिंग सुनिश्चित करता है, 100 kW की चरम शक्ति और 1-2 kW की औसत शक्ति को 35°C से कम तापमान वृद्धि के साथ आसानी से प्रबंधित करता है। बिगड़ने के लिए कोई जैविक सामग्री नहीं होने के कारण, इसकी परिचालन आयु अक्सर 25 साल से अधिक हो जाती है, जिससे यह सैन्य और एयरोस्पेस बुनियादी ढांचे की आधारशिला बन जाता है, भले ही इसकी शुरुआती निर्माण लागत, जो ओपन-एंडेड फ़ीड की तुलना में 50% अधिक हो सकती है।
वेवगाइड से जुड़ा हॉर्न
वेवगाइड से हॉर्न को जोड़ना उच्च लाभ (gain), उत्कृष्ट दिशात्मकता (directivity) और बेहतर प्रतिबाधा मिलान प्राप्त करने के लिए सर्वोत्कृष्ट तरीका है। अनिवार्य रूप से एक फैला हुआ विस्तार, हॉर्न एक क्रमिक प्रतिबाधा ट्रांसफार्मर के रूप में कार्य करता है, जो वेवगाइड की विशेषता प्रतिबाधा (उदाहरण के लिए, WR-90 के लिए ~400 ओम) को मुक्त स्थान की 377-ओम प्रतिबाधा से आसानी से मिलाता है। X-बैंड के लिए एक मानक 20 सेमी लंबा पिरामिडनुमा हॉर्न 20 dBi का लाभ प्रदान कर सकता है और >20% बैंडविड्थ पर वोल्टेज स्टैंडिंग वेव रेशियो (VSWR) को नाटकीय रूप से 1.1:1 से नीचे तक कम कर सकता है, जिससे परावर्तित शक्ति 0.5% से कम हो जाती है। यह प्रदर्शन वृद्धि एक ओपन-एंडेड फ़ीड की तुलना में द्रव्यमान में ~40% की वृद्धि और 60% अधिक उत्पादन लागत के साथ आती है, लेकिन यह अधिकतम दक्षता और न्यूनतम सिग्नल हानि की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए अपरिहार्य है, जो सभी उच्च-प्रदर्शन रिफ्लेक्टर फ़ीड सिस्टम के लगभग 45% का मूल बनाता है।
एक वेवगाइड हॉर्न का डिज़ाइन भौतिक आयामों को विद्युत चुम्बकीय प्रदर्शन के साथ संतुलित करने का एक सटीक अभ्यास है। फ्लेयर कोण, एक महत्वपूर्ण पैरामीटर जो आमतौर पर 15 और 25 डिग्री के बीच होता है, भौतिक लंबाई और इष्टतम प्रतिबाधा मिलान के बीच व्यापार-बंद (trade-off) को निर्धारित करता है। एक छोटा कोण, जैसे 10 डिग्री, एक लंबा हॉर्न (~30 सेमी) बनाता है जिसमें लगभग सही चरण सामने (phase front) और एक लाभ होता है जो एक छोटे, चौड़े हॉर्न की तुलना में 1.5 dB तक अधिक हो सकता है। इसके विपरीत, एक बड़ा 30-डिग्री फ्लेयर एक छोटा, अधिक कॉम्पैक्ट हॉर्न (~15 सेमी) उत्पन्न करता है, लेकिन एपर्चर में एक बड़ी चरण त्रुटि (phase error) पेश करता है, जिससे लाभ ~0.8 dB तक कम हो जाता है और साइड लोब स्तर 3-5 dB तक बढ़ जाता है। एपर्चर का आकार लाभ के सीधे आनुपापातिक होता है। 10 GHz पर 20 dBi के लाभ के लिए, आवश्यक एपर्चर क्षेत्र लगभग 120 cm² होता है, जिसे अक्सर 12 सेमी x 10 सेमी आयत के रूप में कॉन्फ़िगर किया जाता है।
| पैरामीटर | विशिष्ट मूल्य सीमा | प्रदर्शन पर प्रभाव |
|---|---|---|
| फ्लेयर कोण | 15° – 25° | एक 25° कोण 15° हॉर्न के लिए -35 dB की तुलना में क्रॉस-ध्रुवीकरण को -25 dB तक बढ़ाता है। |
| हॉर्न लंबाई (L) | 15 सेमी – 30 सेमी | L को 15 सेमी से 25 सेमी तक बढ़ाने से लाभ में ~1.2 dB का सुधार होता है और VSWR 0.15 तक कम हो जाता है। |
| एपर्चर आकार (A x B) | 10×8 सेमी – 15×12 सेमी | एक बड़ा 15×12 सेमी एपर्चर लाभ को ~3 dB तक बढ़ाता है लेकिन द्रव्यमान को ~200 ग्राम तक बढ़ाता है। |
| लाभ (Gain) | 18 dBi – 24 dBi | एपर्चर क्षेत्र में हर 10% वृद्धि के लिए लाभ लगभग 0.5 dB तक बढ़ता है। |
| 3dB बीमविड्थ | 20° – 35° | एपर्चर आयाम में हर 1 सेमी वृद्धि के लिए बीमविड्थ ~3 डिग्री तक संकीर्ण होती है। |
बुनियादी ज्यामिति से परे, हॉर्न के एपर्चर में चरण त्रुटि (phase error) प्रदर्शन हानि का एक प्राथमिक स्रोत है, जो आमतौर पर एपर्चर दक्षता को 50-70% पर सीमित करता है। उच्चतम प्रदर्शन मानकों के लिए, नालीदार हॉर्न (corrugated horns) का उपयोग किया जाता है। आंतरिक दीवार में प्रति तरंग दैर्ध्य 50-100 सटीक नालीदार हिस्से को एकीकृत करने से साइड लोब को -30 dB से नीचे दबा दिया जाता है और क्रॉस-ध्रुवीकरण को -40 dB से बेहतर तक कम कर दिया जाता है, जिससे वे सैटेलाइट संचार के लिए स्वर्ण मानक बन जाते हैं। हालाँकि, यह जटिलता विनिर्माण लागत को दोगुना कर देती है और इकाई द्रव्यमान को ~25% तक बढ़ा देती है। मजबूत सभी-धातु निर्माण असाधारण शक्ति हैंडलिंग क्षमताओं को सुनिश्चित करता है, कठोर वातावरण में भी 50°C से कम तापमान प्रवणता के साथ 5 kW के औसत शक्ति स्तर और 15 साल से अधिक की परिचालन आयु को आसानी से प्रबंधित करता है। यह हॉर्न एंटीना को एक प्रीमियम, उच्च-विश्वसनीयता वाला समाधान बनाता है जहां प्रदर्शन लागत और आकार के विचारों से स्पष्ट रूप से अधिक महत्वपूर्ण होता है।
