शंक्वाकार एंटेना उच्च-आवृत्ति श्रेणियों में श्रेष्ठ क्यों हैं

कोनिकल एंटेना अपनी विस्तृत बैंडविड्थ और सुसंगत विकिरण पैटर्न के कारण उच्च-आवृत्ति सीमाओं में उत्कृष्ट प्रदर्शन करते हैं। विशेष रूप से, वे 20% तक की बैंडविड्थ प्रदान करते हैं, जिससे सिग्नल की हानि कम होती है और विश्वसनीय प्रदर्शन सुनिश्चित होता है। उनका डिज़ाइन 3 GHz से अधिक की आवृत्तियों का समर्थन करता है, जो उन्हें सटीकता और स्थिरता की आवश्यकता वाले उन्नत संचार प्रणालियों के लिए आदर्श बनाता है।

उच्च-आवृत्ति प्रदर्शन प्रभुत्व का रहस्य

क्या आपको पिछले साल गर्मियों में ह्यूस्टन ग्राउंड स्टेशन पर हुई वह दुर्घटना याद है? यूटेलसैट (Eutelsat) के WR-28 वेवगाइड फ्लैंज में 94GHz बैंड पर अचानक 2.1dB इंसर्शन लॉस का उछाल आया, जिससे पूरा इंटर-सैटेलाइट लिंक शोर की खाई में गिर गया। ड्यूटी पर तैनात कर्मचारी ने कीसाइट (Keysight) N9048B स्पेक्ट्रम विश्लेषक का उपयोग किया और पाया कि फेज शोर कर्व ईसीजी (ECG) की तरह दिख रहा था — यह घटना बाद में IEEE MTT-S डेटाबेस में एक क्लासिक विफलता मामला बन गई।

कोनिकल एंटीना (शंक्वाकार एंटीना) की असली खूबी यहाँ छिपी है: इसकी संरचना आधार से रेडिएटिंग एपर्चर तक एक समान कोणीय सर्पिल (equiangular spiral) बनाए रखती है। यह इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंगों के लिए एक हाईवे बनाने जैसा है, साधारण हॉर्न एंटेना के विपरीत जो कोनों पर सात या आठ परावर्तक सतहें बनाते हैं। पिछले साल, हमने ANSYS HFSS का उपयोग करके एक सिमुलेशन चलाया, और उसी E-बैंड (71-76GHz) पर, कोनिकल संरचना ने 0.92 का मोड शुद्धता कारक (mode purity factor) प्राप्त किया, जबकि पारंपरिक आयताकार हॉर्न केवल 0.67 तक ही पहुँच पाए।

असली समस्या नियर-फील्ड फेज जिटर है। यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी का गैलीलियो नेविगेशन उपग्रह इससे प्रभावित हुआ था — एक निश्चित मॉडल फीड स्रोत ने वैक्यूम वातावरण में 0.07λ की यादृच्छिक फेज जंप प्रदर्शित की, जिससे सीधे तौर पर उपग्रह की रेंजिंग त्रुटि सीमा से अधिक हो गई। बाद में जांच से पता चला कि हॉर्न की आंतरिक दीवार पर डाइइलेक्ट्रिक कोटिंग थर्मल साइकलिंग के दौरान उखड़ गई थी। यदि इसे कोनिकल संरचना की एकीकृत धातु कैविटी से बदल दिया गया होता, तो यह समस्या नहीं आती।

• सैन्य-ग्रेड समाधानों को तीन प्रमुख बिंदुओं पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए:
  • सतह की तरंगों को दबाने के लिए फ्लैंज में ट्रिपल चोक ग्रूव्स (triple choke grooves) होने चाहिए
  • आंतरिक दीवार की खुरदरापन (Ra value) 0.4μm से नीचे होनी चाहिए, जो बाल की मोटाई के 1/200वें हिस्से के बराबर है
  • करंट स्पाइक्स को रोकने के लिए फीड पॉइंट पर टेपर्ड ट्रांजिशन (tapered transition) होना चाहिए

पिछले साल, हमने W-बैंड (75-110GHz) कोनिकल एरेज़ के एक सेट का परीक्षण किया। इस उपकरण को एक डिप्लेक्सर (diplexer) के पीछे जोड़ने के बाद, सिस्टम शोर का तापमान 23K तक गिर गया। इसका रहस्य कोनिकल एंटीना के एक्सिसिमेट्रिक रेडिएशन पैटर्न में निहित है, जो क्रॉस-पोलराइजेशन घटकों को दबाता है, और मापा गया E-प्लेन साइडलोब -27dB तक नीचे दब गया था।

सैटेलाइट संचार में काम करने वाला कोई भी व्यक्ति जानता है: फेज सेंटर स्थिरता जीवन रेखा है। कोनिकल एंटेना के Q/V बैंड पर हावी होने का कारण उनकी स्व-क्षतिपूर्ति संरचना (self-compensating structure) है। सौर तूफान के दौरान थर्मल विरूपण होने पर भी, समकक्ष विकिरण केंद्र का बहाव तरंग दैर्ध्य के तीन-हजारवें हिस्से से अधिक नहीं होगा — यह डेटा नासा के गोल्डस्टोन डीप स्पेस स्टेशन पर मापा गया था, और मूल परीक्षण रिपोर्ट अभी भी JPL की वेबसाइट पर उपलब्ध है।

कोनिकल डिज़ाइन का रहस्य

पिछले साल, एशिया-पैसिफिक 6D उपग्रह के लिए ग्राउंड स्टेशन को अपग्रेड करते समय, हमें एक अजीब घटना का सामना करना पड़ा: 32GHz बीकन प्राप्त करने के लिए एक मानक आयताकार हॉर्न एंटीना का उपयोग करते समय, लिंक बजट पर्याप्त था, लेकिन वास्तविक बिट एरर रेट (BER) बढ़कर 10^-3 हो गया। अंततः हमने पाया कि वेवगाइड के अंदर TM01 और TE11 मोड हस्तक्षेप कर रहे थे — फिर एक पुराने इंजीनियर ने स्टोर से एक कोनिकल हॉर्न निकाला, और समस्या तुरंत गायब हो गई। इस घटना ने मुझे पूरी तरह से एहसास कराया कि एंटीना के आकार में मामूली अंतर भी व्यापक रूप से अलग प्रदर्शन दे सकता है।

कोनिकल संरचना की सबसे प्रभावशाली विशेषता यह है कि यह वेवगाइड के अंदर इलेक्ट्रोमैग्नेटिक क्षेत्र में हेरफेर कर सकती है। जब एक नियमित आयताकार वेवगाइड अचानक काट दिया जाता है, तो इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंग अचानक ब्रेक लगाने वाली बस की तरह व्यवहार करती है — यात्री (इलेक्ट्रोमैग्नेटिक मोड) सभी आगे की ओर भागते हैं, जिससे अव्यवस्थित उच्च-क्रम मोड उत्पन्न होते हैं। हालाँकि, कोनिकल डिज़ाइन वेवगाइड के लिए बफर स्लोप के रूप में कार्य करता है, जिससे प्रतिबाधा (impedance) धीरे-धीरे 377Ω से मुक्त-स्थान प्रतिबाधा (इम्पीडेंस टेपरिंग) तक कम हो जाती है। नासा JPL इंजीनियरों ने मापा है कि 15° टेपर एंगल वाला कोनिकल हॉर्न 1.05 से नीचे का VSWR प्राप्त कर सकता है, जो सीधी संरचनाओं की तुलना में 40% से अधिक सुधार है।

चाइनासैट (ChinaSat) 9B उपग्रह से मिला सबक दर्दनाक था — फीड सिस्टम ने राइट-एंगल ट्रांजिशन संरचना का उपयोग किया था, और कक्षा में आने के तीन साल बाद, VSWR (वोल्टेज स्टैंडिंग वेव रेशियो) अचानक 1.1 से बढ़कर 1.8 हो गया। जांच से पता चला कि कई परावर्तनों के कारण गोल्ड प्लेटिंग में क्वांटम टनलिंग प्रभाव उत्पन्न हुआ। अब, MIL-PRF-55342G सेक्शन 4.3.2.1 स्पष्ट रूप से आवश्यक बनाता है कि Ka बैंड से ऊपर के सभी वेवगाइड्स में टेपर्ड ट्रांजिशन का उपयोग किया जाना चाहिए — यह नियम $8.6 मिलियन की लागत पर सीखा गया सबक है।

टेराहर्ट्ज़ इमेजिंग पर काम करने वाले इंजीनियरों को गहराई से समझना चाहिए कि फेज सेंटर स्थिरता कितनी महत्वपूर्ण है। हमने एरावेंट (Eravant) के कोनिकल एंटीना की तुलना एक नियमित पिरामिडल हॉर्न से की: 94GHz पर, पहले वाले का बीम पॉइंटिंग ड्रिफ्ट दूसरे वाले का केवल 1/7 वां हिस्सा था। इसका रहस्य कोनिकल संरचना के इलेक्ट्रोमैग्नेटिक क्षेत्र वितरण में निहित है, जो सैद्धांतिक हाइजेंस स्रोत (Huygens source) के करीब है, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंग बाहर की ओर प्रसारित होते समय खुद के साथ हस्तक्षेप नहीं करती है।

मापा गया डेटा: रोहडे एंड श्वार्ज़ (Rohde & Schwarz) ZVA67 नेटवर्क विश्लेषक का उपयोग करते हुए, कोनिकल हॉर्न का एक्सियल रेश्यो 25-40GHz बैंडविड्थ में 3dB के भीतर स्थिर रहा, जबकि सामान्य संरचनाओं का एक्सियल रेश्यो 8dB तक उतार-चढ़ाव दिखा।

हाल ही में, एक इंटर-सैटेलाइट लेजर संचार परियोजना पर काम करते हुए मेरी आँखें फिर से खुल गईं — क्या आपको लगता है कि कोनिकल संरचनाएं केवल माइक्रोवेव आवृत्तियों के लिए हैं? बहुत नादान! फ्लैट एंड फेस के बजाय कोनिकल फाइबर का उपयोग करते समय 1550nm लेजर की कपलिंग दक्षता 23 प्रतिशत अधिक होती है। इसके पीछे की भौतिक तंत्र सुसंगत है: दोनों ही उच्च-क्रम मोड को दबाने के लिए क्रमिक संरचनाओं पर निर्भर करते हैं, सिवाय इसके कि इस बार यह माइक्रोवेव के बजाय फोटॉन के साथ काम कर रहा है।

हस्तक्षेप-विरोधी क्षमता परीक्षण

पिछले साल, एशिया-पैसिफिक 7 उपग्रह को कक्षा में वेवगाइड हर्मेटिकिटी विफलता का सामना करना पड़ा, जिससे Ku-बैंड ट्रांसपोंडर आउटपुट पावर में अचानक 4.2dB की गिरावट आई। हमारी टीम द्वारा कीसाइट N9048B स्पेक्ट्रम विश्लेषक का उपयोग करके कैप्चर किया गया डेटा चौंकाने वाला था: 28.5GHz फ्रीक्वेंसी पॉइंट पर, औद्योगिक-ग्रेड हेलिकल एंटेना का आउट-ऑफ-बैंड सप्रेशन केवल -23dBc था, जबकि कोनिकल एंटीना ने -38dBc हासिल किया — यह अंतर नाइटक्लब में शास्त्रीय संगीत सुनने के लिए शोर-रद्द करने वाले हेडफ़ोन पहनने के बराबर है।

वास्तविक दुनिया के संचालन में सबसे महत्वपूर्ण मुद्दा मल्टीपाथ हस्तक्षेप है। पिछले साल, कक्षा में एक मौसम उपग्रह की मरम्मत करते समय, हमने पाया कि पास के बेस स्टेशनों से 5G सिग्नल ग्राउंड स्टेशन के प्राप्त सिग्नलों में मिल गए थे। साधारण पैराबोलिक एंटेना बड़े छलनी की तरह होते हैं, जिनमें हस्तक्षेप सिग्नल साइड लोब्स के माध्यम से अंदर आते हैं। कोनिकल एंटीना पर स्विच करने के बाद, रेडिएशन पैटर्न का फ्रंट-टू-बैक रेश्यो सीधे 22dB से बढ़कर 35dB हो गया, जो सिग्नल में फिंगरप्रिंट लॉक जोड़ने जैसा है।

यहाँ एक सच्ची कहानी है: चाइनासैट 9B से जुड़ी 2023 की घटना में, औद्योगिक-ग्रेड फीड हॉर्न का वोल्टेज स्टैंडिंग वेव रेशियो (VSWR) कम तापमान पर अचानक 1.25 से बदलकर 2.1 हो गया, जिससे उपग्रह के EIRP में 2.7dB की गिरावट आई। बाद में, सैन्य-ग्रेड कोनिकल एंटेना पर स्विच करने के बाद, रोहडे एंड श्वार्ज़ ZNA43 का उपयोग करके मापा गया डेटा अविश्वसनीय रूप से स्थिर रहा — -40°C से +85°C तक, VSWR में 0.05 से अधिक का उतार-चढ़ाव नहीं हुआ। क्या आप जानते हैं इसका क्या मतलब है? यह माउंट एवरेस्ट और डेड सी में समान फेफड़ों की क्षमता बनाए रखने जैसा है।

• सैन्य-ग्रेड कोनिकल एंटेना का मापा गया क्रॉस-पोलराइजेशन आइसोलेशन: ≥40dB (परीक्षण वातावरण: MIL-STD-188-164A क्लॉज 6.2.3 में निर्दिष्ट मल्टीपाथ चैनल)
• समान परीक्षण में औद्योगिक-ग्रेड उत्पाद: 32dB तक, कम तापमान पर 19dB तक गिर गया
• सिस्टम क्रैश थ्रेशोल्ड: 25dB से नीचे आइसोलेशन FEC ओवरलोड को ट्रिगर करता है

कोनिकल एंटेना का हस्तक्षेप-विरोधी रहस्य उनकी भौतिक संरचना में निहित है। उनकी टेपर्ड वेवगाइड नेक एक स्मार्ट फिल्टर की तरह काम करती है, जिससे वर्किंग फ्रीक्वेंसी बैंड के बाहर के सिग्नलों को परावर्तन क्षीणन (reflection attenuation) के पांच दौरों का सामना करना पड़ता है। पिछले साल, CST सिमुलेशन सॉफ़्टवेयर के डेटा ने दिखाया कि 94GHz बैंड पर, कोनिकल एंटीना ने मानक हॉर्न एंटेना की तुलना में आसन्न फ्रीक्वेंसी हस्तक्षेप को 17dB अधिक दबाया — यह दुश्मन के मिसाइल मार्गदर्शन संकेतों को सीधे ब्लैक होल में फेंकने के बराबर है।

सैन्य संचार की पहली पसंद

2019 में, चाइनासैट 9B उपग्रह ने अपने स्थानांतरण कक्षा के दौरान अचानक VSWR परिवर्तन का अनुभव किया, जिससे ग्राउंड स्टेशन के प्राप्त स्तर में 4.2dB की गिरावट आई, जिससे सीधे तौर पर $8.6 मिलियन का ट्रांसपोंडर रेंटल जुर्माना लगा। उस समय, आपातकालीन टीम ने रोहडे एंड श्वार्ज़ ZVA67 नेटवर्क विश्लेषक का सहारा लिया और पाया कि यह कोनिकल एंटीना नेक के फ्लैंज में अपर्याप्त सेकंड हार्मोनिक सप्रेशन के कारण था।

सैन्य एंटेना और वाणिज्यिक उत्पादों के बीच का अंतर चरम वातावरण में दस गुना बढ़ जाता है। उदाहरण के लिए बिजली क्षमता को लें: पास्टरनैक (Pasternack) का PE15SJ20 कनेक्टर 5kW पल्स पावर के लिए रेट किया गया है, लेकिन वैक्यूम वातावरण में वास्तविक परीक्षण ने इसे केवल 2.3kW तक गिरते हुए दिखाया। इस बीच, MIL-PRF-55342G-प्रमाणित सैन्य-मानक कोनिकल एंटेना, जो एल्युमीनियम नाइट्राइड सिरेमिक वेवगाइड्स से भरे होते हैं, 50kW तात्कालिक पल्स का सामना कर सकते हैं — यह बिना फटे पाइप के माध्यम से आग बुझाने वाले पाइप के पानी के प्रवाह को मजबूर करने के बराबर है।

[Image showing high-power testing of a military-grade conical antenna in a vacuum chamber]

पिछले साल, एक निश्चित विध्वंसक के रडार अपग्रेड प्रोजेक्ट के दौरान, मैंने व्यक्तिगत रूप से कोनिकल एंटीना का “हार्डकोर ऑपरेशन” देखा: डेक पर 12-लेवल की समुद्री हवाओं का सामना करना, रेडोम सतह पर बर्फ की मोटाई 15 मिमी से अधिक होना, फिर भी एजीमुथ मोटर ने 0.05° की पॉइंटिंग सटीकता बनाए रखी। यह तीन सैन्य तकनीकों की बदौलत संभव हुआ:

• बेरिलियम कांस्य कंडक्टिव रिंग्स के साथ एम्बेडेड टाइटेनियम अलॉय फ्रेम, जो थर्मल विस्तार और संकुचन के कारण होने वाले संपर्क प्रतिरोध परिवर्तन को हल करता है
• थर्ड-ऑर्डर चेबीशेव इम्पीडेंस टेपर संरचना, जो VSWR को 1.25 से नीचे रखती है, साधारण एंटेना की तुलना में तीन गुना अधिक स्थिर है
• मैग्नेट्रोन स्पटरिंग गोल्ड प्रक्रिया का उपयोग करके विकिरण इकाई कोटिंग, जो सटीक रूप से 0.8μm मोटाई तक नियंत्रित होती है, विशेष रूप से समुद्री कोहरे के जंग के इलाज के लिए

एंटीना की सतह पर लगे पेंट को कभी कम न समझें। अमेरिकी सैन्य मानक MIL-STD-810G में कोटिंग चालकता पर चर्चा करने वाला एक समर्पित अध्याय है — एक निश्चित प्रारंभिक चेतावनी विमान को नुकसान उठाना पड़ा क्योंकि उसके रेडोम में नियमित विमान पेंट का उपयोग किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप गरज के साथ स्थिर सोखना हुआ, जिससे L-बैंड सिग्नलों में 12dB का क्षीणन हुआ। डायमंड कणों वाले विशेष पेंट पर स्विच करने से समस्या हल हो गई।

आवृत्ति प्रतिक्रिया की सीमा (Ceiling)

पिछले साल, एशिया-पैसिफिक 7 उपग्रह के Ku-बैंड ट्रांसपोंडर में अचानक 4.3dB EIRP की गिरावट आई। शीआन सैटेलाइट कंट्रोल सेंटर में हमारी टीम ने स्पेक्ट्रम विश्लेषक की निगरानी की और पाया कि यह फीड सिस्टम में उच्च-क्रम मोड कपलिंग (high-order mode coupling) के कारण हुआ था। इस घटना ने सीधे तौर पर 40GHz से ऊपर कोनिकल हॉर्न के प्राकृतिक लाभ को सत्यापित किया — उनकी कटऑफ फ्रीक्वेंसी सीलिंग आयताकार वेवगाइड्स की तुलना में काफी अधिक है।

उच्च आवृत्तियों के साथ काम करने वाला कोई भी व्यक्ति जानता है कि स्किन इफेक्ट (skin effect) कितना घातक हो सकता है। कोनिकल संरचना की आंतरिक दीवार के साथ करंट पथ सर्पिल रूप से प्रगतिशील होता है, आयताकार वेवगाइड्स के तेज कोनों के विपरीत, जो एज एड़ी करंट (edge eddy currents) पैदा करते हैं। रोहडे एंड श्वार्ज़ ZNA43 वेक्टर नेटवर्क विश्लेषक के साथ परीक्षण ने दिखाया कि W-बैंड (75-110GHz) में, कोनिकल हॉर्न का इंसर्शन लॉस आयताकार संरचनाओं की तुलना में 0.18dB/λ कम है।

थर्मल प्रबंधन विश्लेषण

पिछले साल, एशिया-पैसिफिक 6 उपग्रह के स्थानांतरण के दौरान, C-बैंड ट्रांसपोंडर के डाइइलेक्ट्रिक-भरे वेवगाइड में 3.2℃/मिनट की असामान्य तापमान वृद्धि हुई, जिससे ग्राउंड स्टेशन द्वारा प्राप्त EIRP तुरंत 1.8dB गिर गया। उस समय मैं बीजिंग सैटेलाइट कंट्रोल सेंटर में था, MIL-STD-188-164A परीक्षण आइटम के फेज शोर इंडेक्स को लाल होते हुए देख रहा था — यदि यह एक औद्योगिक-ग्रेड आयताकार वेवगाइड होता, तो पूरा ट्रांसपोंडर संभवतः जल जाता।

[Image showing thermal stress distribution in a conical vs rectangular waveguide cross-section]

कोनिकल एंटीना का रहस्य इसके टेपर्ड क्रॉस-सेक्शन डिज़ाइन में निहित है। सीपीयू कूलर में हीट पाइप सिद्धांत की तरह, जब 94GHz मिलीमीटर तरंगें शंकु के अंदर यात्रा करती हैं, तो इलेक्ट्रोमैग्नेटिक क्षेत्र स्वाभाविक रूप से घुमावदार सतह के साथ सर्पिल आकार के थर्मल कन्वेक्शन पथ बनाता है। मापा गया डेटा दिखाता है कि यह संरचना स्किन इफेक्ट द्वारा उत्पन्न गर्मी को पूरी धातु की सतह पर समान रूप से वितरित करती है, जिससे पारंपरिक संरचनाओं की तुलना में गर्मी अपव्यय दक्षता में 73% सुधार होता है।

सैन्य-ग्रेड डिज़ाइनों में एक और खूबी है — गैर-समान कोटिंग्स (non-uniform coatings)। कोनिकल एंटीना की आंतरिक दीवार पर, सिल्वर प्लेटिंग की मोटाई फीड एंड पर 8μm से रेडिएशन एंड पर 3μm तक कम होती जाती है। यह पैसे बचाने के लिए नहीं किया गया है; परीक्षण साबित करते हैं कि यह डिज़ाइन थर्मल प्रतिरोध गुणांक को 42% तक कम कर देता है। पिछले साल, बेइदौ-3 (BeiDou-3) नक्षत्र के बैकअप उपग्रहों में से एक ने सौर तूफान के दौरान असामान्य तापमान वृद्धि का सामना करने के लिए इसी तकनीक पर भरोसा किया था।