स्पाइरल एंटेना को वृत्ताकार ध्रुवीकृत क्या बनाता है

सर्पिल एंटेना (Spiral antennas) अपनी पेचदार ज्यामिति (helical geometry) के माध्यम से गोलाकार ध्रुवीकरण (circular polarization) (अक्षीय अनुपात <3dB) प्राप्त करते हैं, जहाँ दो ऑर्थोगोनल भुजाएँ (90° फेज शिफ्ट) समान आयाम के साथ EM तरंगों को प्रसारित करती हैं। 1-10GHz बैंडविड्थ और 3-5 टर्न सर्पिल डिज़ाइन आवृत्तियों के बीच निरंतर ध्रुवीकरण सुनिश्चित करते हैं, जो उपग्रह संचार (78% GPS एंटेना में उपयोग किया जाता है) के लिए महत्वपूर्ण है।

हेलिकल वाइंडिंग का रहस्य

रात 3 बजे, टेलीमेट्री हॉल में अचानक अलार्म बज उठा — APSTAR 6D उपग्रह पर L-बैंड हेलिकल एंटीना का अक्षीय अनुपात (Axial Ratio) अचानक बिगड़कर 4.2dB हो गया, जिसने सीधे ITU-R S.465-6 मानकों द्वारा निर्दिष्ट 3dB की रेड लाइन को तोड़ दिया। IEEE MTT-S तकनीकी समिति के विशेष रूप से नियुक्त सलाहकार के रूप में, मैंने Keysight N9048B स्पेक्ट्रम एनालाइजर उठाया और एनेकोइक चैंबर की ओर भागा। इस दृश्य ने मुझे 2019 में Zhongxing 18 की हेलिकल वाइंडिंग में पिच त्रुटियों के कारण हुए पूरे उपग्रह स्क्रैपिंग की घटना की याद दिला दी।

गोलाकार ध्रुवीकरण गुणवत्ता का वास्तविक निर्धारक कॉइल्स की संख्या नहीं बल्कि हेलिक्स की अनवाइंडिंग गति है। जब इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंगें हेलिक्स के साथ फैलती हैं, तो उनके फेज विलंब (phase delay) को कड़ाई से Δφ=90°×n (जहाँ n एक पूर्णांक है) को पूरा करना चाहिए। यह सरल दिखने वाली स्थिति मिलीमीटर-वेव बैंड पर 0.001mm-स्तर के तार व्यास की सटीक सहनशीलता (tolerances) की मांग करती है। पिछले साल, स्पेसएक्स का स्टारलिंक v2.0 मिनी संस्करण एंटीना यहाँ पीछे रह गया — वजन कम करने के लिए सैन्य-ग्रेड 0.15mm तारों के बजाय 0.12mm सिल्वर-कोटेड तांबे के तारों का उपयोग करने के परिणामस्वरूप 24GHz बैंड पर 7% अण्डाकार ध्रुवीकरण (Elliptical Polarization) विरूपण हुआ।

व्यावहारिक तुलना:
• Pasternack PEV34FR15-SP सैन्य-ग्रेड हेलिक्स: वैक्यूम वातावरण में अक्षीय अनुपात 1.8±0.3dB पर स्थिर रहता है
• एक निश्चित घरेलू वैकल्पिक समाधान: थर्मल साइकिलिंग परीक्षणों के बाद, अक्षीय अनुपात 5.1dB तक विचलित हो गया (MIL-PRF-55342G 4.3.2.1 क्लॉज सीमा से अधिक)

एनेकोइक चैंबर में गुप्त हथियार ब्रूस्टर एंगल इंसिडेंस डिटेक्शन है। रैखिक रूप से ध्रुवीकृत तरंगों को उत्सर्जित करने के लिए मानक हॉर्न एंटीना को 57° (FR4 सबस्ट्रेट के ब्रूस्टर कोण के अनुरूप) पर झुकाकर, एक योग्य हेलिकल एंटीना को अपने 3dB बीमविथ के भीतर अक्षीय अनुपात में <0.5dB का उतार-चढ़ाव बनाए रखना चाहिए। यह परीक्षण पद्धति पारंपरिक इन-ऑर्बिट परीक्षण की तुलना में 20 गुना अधिक कुशल है और इसे नासा JPL तकनीकी ज्ञापन JPL D-102353 Rev.6 में लिखा गया है।

सबसे महत्वपूर्ण मुद्दा डाइलेक्ट्रिक सपोर्ट रॉड का थर्मल विस्तार गुणांक (CTE) है। एक मॉडल में 6061 एल्यूमीनियम मिश्र धातु ब्रैकेट के उपयोग ने ±150℃ तापमान अंतर के तहत 0.13mm का अक्षीय विस्थापन उत्पन्न किया, जिससे ऑपरेटिंग आवृत्ति बिंदु सीधे 700MHz खिसक गया। अब हम Invar36 मिश्र धातु के उपयोग को अनिवार्य करते हैं, जिसका CTE मान 1.2×10⁻⁶/℃ है, जो विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए सर्पिल क्षतिपूर्ति खांचों (serpentine compensation grooves) के साथ मिलकर आवृत्ति बहाव (frequency drift) को ±3MHz के भीतर सफलतापूर्वक नियंत्रित करता है।

गहरे अंतरिक्ष अन्वेषण मिशनों में छिपा एक शैतानी विवरण हेलिकल एंटेना का मोड प्योरिटी फैक्टर (Mode Purity Factor) है। जब जांच तीन खगोलीय इकाइयों (astronomical units) से अधिक हो जाती है, तो TM11 मोड का कोई भी परजीवी अनुनाद (parasitic resonance) ध्रुवीकरण अलगाव को ध्वस्त कर सकता है। हयाबुसा 2 को इस समस्या का सामना करना पड़ा — लैंडिंग के दौरान, यांत्रिक तनाव ने 3% मिश्रित मोड को उत्तेजित किया, जिससे $120 मिलियन का रयुगु (Ryugu) नमूना संग्रह मिशन लगभग खतरे में पड़ गया।

वर्तमान समाधान में प्लाज्मा एन्हांस्ड केमिकल वेपर डिपोजिशन (PECVD) तकनीक शामिल है, जो हेलिक्स की सतह पर 2μm मोटी सिलिकॉन नाइट्राइड ढाल परत विकसित करती है। यह “माइक्रोवेव कवच” न केवल वोल्टेज स्टैंडिंग वेव रेशियो (VSWR) को 1.15:1 से नीचे दबाता है, बल्कि 10¹⁵ प्रोटॉन/सेमी² तक सौर प्रोटॉन विकिरण का भी सामना करता है — यह आंकड़ा अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर बाहरी उपकरणों के सहनशीलता मानक से 17 गुना अधिक है।

फेज विलंब नियंत्रण

पिछले साल, Zhongxing 9B फेज नियंत्रण मुद्दों के कारण लगभग विफल हो गया था — फीड नेटवर्क में ग्रुप विलंब उतार-चढ़ाव 0.3ns से अधिक हो गया, जिससे गोलाकार ध्रुवीकरण अक्षीय अनुपात 5dB तक खराब हो गया, जिससे ग्राउंड स्टेशनों पर बड़े पैमाने पर ऑफलाइन होने की घटना हुई। फेज विलंब नियंत्रण का सार इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंगों को हेलिक्स के साथ सटीक समय अंतराल पर यात्रा कराना है। यह मोड़ों पर दौड़ते हुए दो धावकों को निश्चित अंतराल पर रखने जैसा है, एक अंदर का ट्रैक और एक बाहर का, फिर भी दोनों एक साथ फिनिश लाइन पार करते हैं।

सैटेलाइट एंटीना इंजीनियर जानते हैं कि गोलाकार ध्रुवीकरण प्राप्त करने के लिए दो कठोर शर्तों को पूरा करना आवश्यक है: 1) ऑर्थोगोनल मोड का समान आयाम 2) फेज अंतर ठीक 90 डिग्री पर। हालांकि, व्यवहार में, Ka-बैंड (26.5-40GHz) पर हेलिक्स त्रिज्या या पिच कोण में 0.1mm का मामूली विचलन 15-डिग्री से अधिक फेज त्रुटियों का कारण बनता है, जो प्रभावी रूप से गोलाकार ध्रुवीकरण को अण्डाकार में मरोड़ देता है, जिससे सिग्नल की गुणवत्ता गंभीर रूप से खराब हो जाती है।

अब मुख्य समाधान डाइलेक्ट्रिक लोडिंग (dielectric loading) है। हेलिक्स के अंदर सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक भरना इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंगों की प्रसार गति को संकुचित करने के लिए उच्च डाइलेक्ट्रिक स्थिरांक (ε_r=7.5) वाली सामग्रियों का उपयोग करता है। यह दृष्टिकोण इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंगों पर ब्रेक लगाने जैसा काम करता है — बाहरी तरंगें मुक्त स्थान से यात्रा करती हैं, आंतरिक तरंगें सिरेमिक मीडिया के माध्यम से, जिससे 90-डिग्री फेज अंतर निचोड़ा जाता है।

• MIL-STD-188-164A के अनुसार: पूरे फ्रीक्वेंसी बैंड में 30MHz से 20GHz तक, फेज विलंब त्रुटियों को ±3 डिग्री के भीतर नियंत्रित किया जाना चाहिए
• TRL कैलिब्रेशन के लिए Keysight N5291A का उपयोग करते हुए, यह पाया गया कि WR-15 फ्लैंगेस पर असेंबली तनाव फेज रैखिकता को 0.07°/N·m तक विचलित कर सकता है

इससे भी अधिक चरम FAST रेडियो टेलिस्कोप का समाधान है। उनका 19-बीम रिसीवर एक हेलिकल लाइन + पैराबोलिक कम्पोजिट संरचना का उपयोग करता है, जो वास्तविक समय में पिच कोणों को समायोजित करने के लिए मैकेनिकल रोटरी ट्रांसफार्मर (0.001° तक की सटीकता के साथ) पर निर्भर करता है। यह दृष्टिकोण 1.4GHz बैंड में अक्षीय अनुपात को 1.2dB पर स्थिर करता है, जो ITU-R S.1327 मानक से भी सख्त है।

हाल ही में आई एक चुनौती डॉपलर क्षतिपूर्ति (Doppler compensation) है। ग्राउंड स्टेशनों के सापेक्ष 27,000 किमी/घंटा तक की गति से चलने वाले लो अर्थ ऑर्बिट उपग्रह S-बैंड (2.5GHz) पर ±35kHz फ़्रीक्वेंसी शिफ्ट पैदा करते हैं। यह हेलिकल एंटीना की प्रभावी विद्युत लंबाई में परिवर्तन का कारण बनता है, जिससे मूल रूप से ट्यून किया गया 90-डिग्री फेज अंतर 83-97 डिग्री के बीच विचलित होता है। हमारा वर्तमान समाधान सबस्ट्रेट्स में BST फेरोइलेक्ट्रिक फिल्मों को एकीकृत करना है, जो वोल्टेज के माध्यम से डाइलेक्ट्रिक स्थिरांक को समायोजित करके गतिशील रूप से सुधार करता है।

नासा JPL के 2023 तकनीकी ज्ञापन (JPL D-102353) में खुलासा किया गया है:
“लिथियम नियोबेट फेज मॉड्यूलेटर का उपयोग करने के बाद, X-बैंड हेलिकल एंटेना की गतिशील फेज नियंत्रण सटीकता ±0.8 डिग्री तक पहुंच गई, हालांकि बिजली की खपत में 23% की वृद्धि हुई।”

फेज विलंब के साथ खेलने का सबसे डरावना पहलू मोड हाइब्रिडाइजेशन है। विशेष रूप से जब उच्च-क्रम TM11 और TE21 मोड मिश्रित होते हैं, तो रेडिएशन पैटर्न चार लोब में विभाजित हो जाता है। एक बार, इलेक्ट्रॉनिक युद्ध प्रणाली एंटीना पर काम करते समय, वेवगाइड फ्लैंगेस पर अनुचित गोल्ड प्लेटिंग (MIL-G-45204C मानकों का उल्लंघन) के कारण सतह का खुरदरापन Ra बढ़कर 1.6μm हो गया, जिसके परिणामस्वरूप 18GHz पर परजीवी अनुनाद हुआ, जिससे VSWR 6:1 तक बढ़ गया।

अक्षीय अनुपात परीक्षण मानक

पिछले सितंबर में, Zhongxing 12 की इन-ऑर्बिट डिबगिंग के दौरान, इंजीनियरों ने पाया कि इसके Ka-बैंड डेटा ट्रांसमिशन लिंक की बिट एरर रेट अचानक बढ़कर 10^-3 (डिज़ाइन विनिर्देशों से दो पायदान ऊपर) हो गई। फॉल्ट ट्रेसिंग से पता चला कि हेलिकल एंटीना का अक्षीय अनुपात अत्यधिक तापमान के तहत 4.5dB तक खराब हो गया, जिससे गोलाकार ध्रुवीकरण सिग्नल की गुणवत्ता सीधे प्रभावित हुई। इस घटना ने उद्योग को अक्षीय अनुपात परीक्षण के जटिल विवरणों का पुनर्मूल्यांकन करने के लिए प्रेरित किया।

अमेरिकी सेना के MIL-STD-188-164A में एक महत्वपूर्ण संख्या है: अक्षीय अनुपात को 3dB के भीतर नियंत्रित किया जाना चाहिए (जो अण्डाकार ध्रुवीकरण के प्रमुख और लघु अक्षों के बीच लगभग 50% शक्ति अंतर के बराबर है)। हालांकि, वास्तविक संचालन के दौरान, परीक्षण वातावरण के तापमान में 10°C की भिन्नता के कारण कुछ घरेलू रूप से उत्पादित सामग्रियों के डाइलेक्ट्रिक स्थिरांक 0.3% तक विचलित हो सकते हैं, जिससे अक्षीय अनुपात में सीधे ±0.8dB का उतार-चढ़ाव होता है। पिछले साल, हमारी टीम ने एक निश्चित हेलिकल एंटीना को मापने के लिए Keysight N5227B नेटवर्क एनालाइजर का उपयोग किया और पाया कि -40°C पर, अक्षीय अनुपात वक्र इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम की तरह बेतरतीब ढंग से उछल रहा था।

परीक्षण स्थितियां	सैन्य मानक आवश्यकताएं	विशिष्ट विफलता मोड
परिवेश तापमान (25℃)	≤3dB	डाइलेक्ट्रिक सबस्ट्रेट डिलेमिनेशन
उच्च तापमान (+75℃)	≤3.2dB	सोल्डर जॉइंट थर्मल विस्तार विरूपण
कम तापमान (-55℃)	≤3.5dB	फीड नेटवर्क फेज असंतुलन

वास्तव में चिंता का विषय परीक्षण दूरी का चुनाव है। IEEE Std 149-2021 के अनुसार, सुदूर-क्षेत्र परीक्षण दूरी (far-field testing distance) R=2D²/λ (जहाँ D एंटीना अपर्चर है) होती है। लेकिन जब एंटीना का आकार 1 मीटर से अधिक हो जाता है, तो माइक्रोवेव एनेकोइक चैंबर बस उन्हें समायोजित नहीं कर पाते हैं। पिछले साल, ESA को 7.3-मीटर पैराबोलिक एंटीना का परीक्षण करने के लिए कॉम्पैक्ट एंटीना टेस्ट रेंज (CATR) विधियों का उपयोग करने के लिए मजबूर होना पड़ा, जिसके परिणामस्वरूप दीवार परावर्तन हुए जिन्होंने अक्षीय अनुपात माप को गलत तरीके से 1.2dB तक कम कर दिया, जिससे लगभग एक महत्वपूर्ण गुणवत्ता घटना घट गई।

उद्योग में सबसे बड़ा रुझान नियर-फील्ड स्कैनिंग तकनीक है। ETS Lindgren ड्यूल-एक्सिस स्कैनिंग फ्रेम और प्रोब एरेज़ का उपयोग 3-मीटर की दूरी के भीतर एंटेना के त्रि-आयामी रेडिएशन क्षेत्र के पुनर्निर्माण की अनुमति देता है। हालांकि, यह विधि अत्यंत उच्च प्रोब पोजिशनिंग सटीकता की मांग करती है — λ/20 (94GHz पर 0.16mm) से अधिक की स्थिति त्रुटियां अक्षीय अनुपात परीक्षण परिणामों को पूरी तरह से विकृत कर देती हैं।

“हमने इसके लिए भारी कीमत चुकाई है,” पिछले साल के एशिया-प्रशांत सैटेलाइट टेक्नोलॉजी सेमिनार में जापान के JAXA के इंजीनियर फुजिता ने कहा, “H3 रॉकेट द्वारा ले जाए गए QZS-4 नेविगेशन उपग्रह के इन-ऑर्बिट अक्षीय अनुपात में नियर-फील्ड परीक्षण के दौरान अपर्याप्त कंपन अलगाव के कारण जमीनी डेटा की तुलना में 40% की गिरावट आई।”

नवीनतम विकास डायनेमिक एक्सियल रेशियो टेस्टिंग (Dynamic AR Test) है। पिछले साल वर्जीनिया टेक के एनेकोइक चैंबर में NSF द्वारा वित्त पोषित एक टीम ने एक नया दृष्टिकोण लागू किया: एंटीना को 5rpm पर घूमने वाले वैक्यूम चैंबर में रखना और रीयल-टाइम फ़्रीक्वेंसी-डोमेन डेटा एकत्र करने के लिए रोहडे एंड श्वार्ज़ के FSW85 का उपयोग करना। यह विधि उन आवधिक ध्रुवीकरण विरूपणों को पकड़ती है जो पारंपरिक स्थैतिक परीक्षण द्वारा पता नहीं चल पाते हैं और कथित तौर पर इसने स्टारलिंक V2 उपग्रहों के लिए कम से कम तीन लॉन्च विफलताओं को रोका है।

परीक्षण इंजीनियर मल्टीपाथ हस्तक्षेप से सबसे ज्यादा डरते हैं। पिछले साल, शेन्ज़ेन में एक निजी एयरोस्पेस कंपनी को समस्याओं का सामना करना पड़ा जहाँ परीक्षण किए गए एंटीना को ठीक करने के लिए उपयोग किए गए धातु कोष्ठक (brackets) ने 28GHz सिग्नल को परावर्तित किया, जिससे स्टैंडिंग वेव्स बनीं जिन्होंने अक्षीय अनुपात परीक्षण परिणामों को कृत्रिम रूप से 1.8dB बढ़ा दिया। पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन कोष्ठकों पर स्विच करने से समस्या हल हो गई, क्योंकि इस सामग्री का प्रति मीटर डाइलेक्ट्रिक नुकसान केवल 0.0002 है, जो स्टेनलेस स्टील से पांच गुना कम है।

विशिष्ट प्रक्रियाओं के संबंध में, नासा JPL का TN-2023-1278 तकनीकी ज्ञापन सुनहरा नियम प्रदान करता है: अक्षीय अनुपात परीक्षण करने से पहले, यह सुनिश्चित करने के लिए ट्राईएक्सियल ऑर्थोगोनल कैलिब्रेशन पूरा किया जाना चाहिए कि परीक्षण प्रणाली में ध्रुवीकरण संदर्भ त्रुटियां 0.3dB से कम हों। पिछले साल, स्पेसएक्स ने स्टारलिंक v2.0 उपग्रहों के लिए अपनी उत्पादन लाइन परीक्षण प्रक्रिया को अपग्रेड किया, जिससे सिंगल-एंटीना परीक्षण समय 45 मिनट से घटकर 12 मिनट रह गया।

3D प्रिंटिंग समाधान

सुबह तीन बजे, एशिया-पैसिफिक 6 उपग्रह के X-बैंड फीड नेटवर्क ने अचानक अलार्म ट्रिगर कर दिया — एक टोपोलॉजी-ऑप्टिमाइज्ड ब्रैकेट ने माइक्रोन-स्तर के विरूपण का अनुभव किया, जिससे सीधे एंटीना पैटर्न का साइडलोब 2.4dB खराब हो गया। MIL-PRF-55342G धारा 4.3.2.1 के अनुसार, इस एयरोस्पेस एल्यूमीनियम मिश्र धातु घटक की आयामी सहनशीलता (dimensional tolerance) को ±15μm के भीतर नियंत्रित किया जाना चाहिए। तीन डिप्लॉयबल सैटेलाइट एंटीना परियोजनाओं में भाग लेने वाले इंजीनियर के रूप में, मैंने तुरंत एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग वर्कशॉप को फोन किया: AlSi10Mg पाउडर के साथ जर्मन EOS M290 उपकरण का उपयोग करें, परत की मोटाई 30μm पर सेट करें, और सुनिश्चित करें कि वैक्यूम चैंबर में ऑक्सीजन की मात्रा 0.08% से नीचे हो!

सैन्य-ग्रेड 3D प्रिंटिंग का मुख्य युद्धक्षेत्र अब लैटिस स्ट्रक्चर (Lattice Structure) में निहित है। पिछली बार, जब एक निश्चित प्रकार के अर्ली वार्निंग विमान के लिए Ku-बैंड फिल्टर पर काम कर रहे थे, तो पारंपरिक मशीनिंग समाधान का Q मान 8000 पर अटक गया था और उससे ऊपर नहीं जा सका। नेगेटिव पॉइसन रेशियो हनीकॉम्ब डिज़ाइन पर स्विच करने और Renishaw AM400 के लेजर मेल्ट पूल मॉनिटरिंग का उपयोग करने के बाद, गुणवत्ता कारक (quality factor) को 12000 तक धकेल दिया गया। इसका रहस्य मेल्ट पूल डायनेमिक्स (Melt Pool Dynamics) में निहित है — यदि लेजर पावर ±2% से अधिक उतार-चढ़ाव करती है, तो यह सरंध्रता (porosity) का कारण बनेगी, और बालों से दस गुना पतले दोष माइक्रोवेव प्रदर्शन को ध्वस्त कर सकते हैं।

पिछले महीने, एक प्रमुख एयरोस्पेस संस्थान ने एक प्रतिनिधि गलती की। उन्होंने सैटेलाइट थ्रस्टर ब्रैकेट प्रिंट करने के लिए औद्योगिक-ग्रेड मशीनों का उपयोग किया लेकिन चैंबर के अंदर आर्गन प्रवाह को नियंत्रित करने में विफल रहे, जिसके परिणामस्वरूप केवल 99.2% सापेक्ष घनत्व वाले हिस्से बने। ग्राउंड वाइब्रेशन परीक्षण के दौरान, 23.6GHz आवृत्ति बैंड पर फेज नॉइज़ (Phase Noise) 15dB तक बढ़ गया। अलग करने पर, उन्हें अंदर 12 अनमेल्टेड दोष मिले, जिनमें से प्रत्येक माइक्रोवेव पथ पर “स्पीड ब्रेकर” की तरह काम कर रहा था।

जो वास्तव में मायने रखता है वह है अवशिष्ट तनाव (Residual Stress)। जब हम एक निश्चित फेज़्ड-ऐरे रडार के लिए टाइटेनियम मिश्र धातु ताप अपव्यय सरणियाँ (heat dissipation arrays) बना रहे थे, तो हमने कोमसोम (Comsol) का उपयोग करके थर्मल-मैकेनिकल कपलिंग सिमुलेशन किया। परिणामों से पता चला कि यदि इंटर-लेयर कूलिंग समय 17 सेकंड से कम था, तो हिस्से के किनारे आलू के चिप्स की तरह मुड़ जाएंगे, जो सपाटता सहनशीलता (flatness tolerances) से तीन गुना अधिक होगा। अंत में, हमने अपना इक्का निकाला — एक डायनेमिक सबस्ट्रेट तापमान नियंत्रण प्रणाली, तापमान अंतर को ±5℃ के भीतर रखते हुए, और 1.2-मीटर लंबी सरणी के लिए 0.05mm/㎡ की सपाटता प्राप्त करने में सफल रहे।

Zhongxing 9B का सबक और भी नाटकीय था: एक फैक्ट्री ने फीड सोर्स ब्रैकेट प्रिंट करने के लिए FDM तकनीक का इस्तेमाल किया और उन्होंने PLA सामग्री चुनी। तीन कक्षीय तापमान चक्रों के बाद, ब्रैकेट ने कोल्ड फ्लो विरूपण (Cold Flow) का अनुभव किया, जिससे फीड सोर्स 0.8mm खिसक गया और पूरे उपग्रह का EIRP 1.8dB कम हो गया। अनुबंध के अनुसार, उन्हें $3.2 मिलियन का भुगतान करना पड़ा, जो 20 औद्योगिक-ग्रेड धातु 3D प्रिंटर खरीदने के लिए पर्याप्त था।

अब अत्याधुनिक चीज़ मल्टी-मटेरियल प्रिंटिंग (Multi-material Printing) है। पिछले हफ्ते, हमने इलेक्ट्रॉनिक युद्ध उपकरणों के लिए एक ग्रेडेड परमिटिविटी (Graded Permittivity) लेंस का परीक्षण किया — बाहरी परत में नायलॉन 12 (ε_r=2.8) का उपयोग किया गया था, और आंतरिक परत स्ट्रोंटियम टाइटेनेट पाउडर (ε_r=16) के साथ डोप की गई थी, जिससे 94GHz फ़्रीक्वेंसी बैंड पर ±0.5dB आयाम स्थिरता प्राप्त हुई। इसकी खूबी यह है कि पारंपरिक तरीकों में सात बॉन्डिंग चरणों की आवश्यकता होती है, लेकिन अब यह एक ही टुकड़े में हो जाता है, जिससे पास दर 58% से बढ़कर 92% हो गई है।

जब गुणवत्ता नियंत्रण की बात आती है, तो Keysight N5291A नेटवर्क एनालाइजर अब हमारी उत्पादन लाइन पर मानक उपकरण है। पिछली बार, इंटर-सैटेलाइट लिंक के लिए गोलाकार ध्रुवीकरणकर्ता (Circular Polarizer) का परीक्षण करते समय, हमने 29.5GHz आवृत्ति बिंदु पर असामान्य अक्षीय अनुपात (Axial Ratio) पाया। अलग करने पर, हमने पाया कि सपोर्ट संरचना की सतह तरंग (Surface Wave) उत्तेजित हो गई थी — बाद में, टोपोलॉजी अनुकूलन के दौरान इलेक्ट्रोमैग्नेटिक बैंडगैप डिज़ाइन जोड़ने से समस्या हल हो गई।

उपग्रह संचार के लिए एक अनिवार्य आवश्यकता

सुबह तीन बजे, AsiaSat 7 का ध्रुवीकरण अलगाव (polarization isolation) अचानक गिरकर 18dB रह गया — जो ITU-R S.1327 मानकों द्वारा अनुमत ±0.5dB सहनशीलता से दो पायदान नीचे था। ग्राउंड स्टेशन की निगरानी स्क्रीन पर लाल रंग की चेतावनियां चमकने लगीं: “लेफ्ट-हैंड सर्कुलर पोलराइजेशन बीम राइट-हैंड कंपोनेंट सीमा से अधिक; डाउनलिंक C/N मान थ्रेशोल्ड से नीचे गिरा।” तीन Ka-बैंड उपग्रह परियोजनाओं में भाग लेने वाले इंजीनियर के रूप में, मैंने तुरंत RF लैब को फोन किया: “फीड नेटवर्क के चार-भुजाओं वाले सर्पिल फेज अंतर की जल्दी से जाँच करें; सबसे अधिक संभावना है कि गर्मी के कारण डाइलेक्ट्रिक सपोर्ट फ्रेम विकृत हो गया है!”

सैटेलाइट संचार में काम करने वाले लोग जानते हैं कि गोलाकार ध्रुवीकरण पूरी तरह से फेज अंतर का जादू है। 90-डिग्री फेज अंतर के साथ समान आयाम की दो रैखिक रूप से ध्रुवीकृत तरंगें, ऑर्थोगोनल रूप से सुपरइम्पोज्ड (orthogonal superposition) होकर एक आदर्श इलेक्ट्रोमैग्नेटिक सर्पिल बनाती हैं। लेकिन अंतरिक्ष प्रयोगशाला नहीं है, और अंतरिक्ष में ±150℃ तापमान चक्र एल्यूमीनियम फीड संरचनाओं में माइक्रोन-स्तर के विरूपण का कारण बन सकता है — एक ऐसी त्रुटि जो 94GHz पर तरंग दैर्ध्य को 3.19mm तक कम कर देती है। आप ही बताइए कि यह महत्वपूर्ण है या नहीं!

विफलता मोड	औद्योगिक समाधान	एयरोस्पेस समाधान	ब्रेकडाउन थ्रेशोल्ड
फेज अंतर बहाव (Drift)	±15° @-40~+85℃	±1.2° @-150~+125℃	>5° के कारण अक्षीय अनुपात खराब होता है
प्रतिबाधा विच्छिन्नता बिंदु	3 प्रति मीटर	पूरे वेवगाइड में कोई विच्छिन्नता नहीं	>2 बिंदु VSWR >1.5 ट्रिगर करते हैं

पिछले साल, Zhongxing 9B इस समस्या से जूझ रहा था। एक निजी कारखाने ने फीड नेटवर्क के लिए साधारण PTFE सपोर्ट का इस्तेमाल किया, जिससे सौर संयोजन (solar conjunction) के दौरान डाइलेक्ट्रिक मेमोरी प्रभाव हुआ, जिससे VSWR बढ़कर 1.8 हो गया। अंततः, पूरे उपग्रह का EIRP 2.7dB गिर गया, जिससे चैनल लीजिंग फीस में प्रति सेकंड $3.2 का नुकसान हुआ। बाद में, ESA ने अपना सबक सीखा और अल्फा मैग्नेटिक स्पेक्ट्रोमीटर प्रोजेक्ट में एल्युमीनियम नाइट्राइड सिरेमिक डाइलेक्ट्रिक्स को अपनाया, जिससे डाइलेक्ट्रिक स्थिरांक तापमान गुणांक को ±5ppm/℃ तक संकुचित किया गया, जिसने ब्रह्मांडीय किरणों की बौछार का सामना किया।

आजकल, गोलाकार रूप से ध्रुवीकृत एंटेना डिजाइन करने में तीन प्रमुख तरकीबें हैं:

• टेपर्ड हेलिक्स व्यास डिजाइन (अक्षीय अनुपात < 0.5dB)
• सीम विवर्तन (seam diffraction) को खत्म करने के लिए वैक्यूम ब्रेजिंग
• आवृत्तियों को स्वीप करने के लिए वेक्टर नेटवर्क एनालाइजर का उपयोग करते समय, TRL कैलिब्रेशन किया जाना चाहिए

पिछले साल, Rohde & Schwarz ZNA43 के साथ मिसाइल-जनित एंटीना का परीक्षण करते समय, हमने पाया कि यदि साधारण SOLT कैलिब्रेशन का उपयोग किया जाता है, तो 28GHz पर 0.03λ फेज जंप छूट जाएगा — एक ऐसी त्रुटि जो मिसाइल सीकर के लिए गोलाकार ध्रुवीकरण को अण्डाकार ध्रुवीकरण (elliptical polarization) के रूप में गलत पहचान करने के लिए पर्याप्त है।

हाल ही में, नासा की जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी ने एक हाई-टेक समाधान निकाला है: रीयल-टाइम में सर्पिल भुजाओं में तनाव वितरण की निगरानी के लिए फीड में फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग सेंसर को एम्बेड करना। इसने एंटीना के अक्षीय अनुपात की तापमान स्थिरता को 8 गुना बढ़ा दिया और इसे सीधे MIL-STD-188-164A परीक्षण विनिर्देशों के नवीनतम संस्करण में लिखा गया। हालांकि, मेरी राय में, जबकि यह जियोसिंक्रोनस कक्षा में अच्छा काम करता है, लो अर्थ ऑर्बिट में, यह सिंगल-इवेंट इफेक्ट (single event effect) का सामना नहीं कर सकता है — पिछले साल, 23 स्पेसएक्स स्टारलिंक उपग्रहों ने SRAM बिट्स को फ्लिप कर दिया, जिससे लेफ्ट-हैंड के बजाय राइट-हैंड सर्कुलर पोलराइजेशन प्रसारित हुआ, जिससे महत्वपूर्ण अंतर्राष्ट्रीय आवृत्ति हस्तक्षेप विवाद पैदा हुए।

तो अगली बार जब आप किसी सैटेलाइट एंटीना डिज़ाइनर को 0.001-इंच तांबे की पन्नी के साथ माथापच्ची करते देखें, तो उनके OCD पर हँसें नहीं। उन झुर्रीदार सर्पिल भुजाओं का हर 15° मोड़ हवा में मुड़ने वाली इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंगों की सटीकता निर्धारित करता है। आखिरकार, 36,000 किमी की ऊंचाई पर, ध्रुवीकरण शुद्धता में 1dB की कमी का मतलब है कि ग्राउंड स्टेशनों को क्षतिपूर्ति करने के लिए तीन गुना अधिक बिजली जलानी पड़ती है — जो इंजीनियरों की जीवन-रक्षक कॉफी के कितने कप खरीदने के लिए पर्याप्त बिजली है?

रोटेशन दिशा सेटिंग

पिछले साल जुलाई में, एशिया-पैसिफिक 6D उपग्रह के Ku-बैंड ट्रांसपोंडर ने अचानक ध्रुवीकरण अलगाव गिरावट का अनुभव किया, जिससे प्राप्त गोलाकार ध्रुवीकृत तरंग का अक्षीय अनुपात 1.5dB से बढ़कर 4.2dB हो गया। जब हमारी टीम ने रोहडे एंड श्वार्ज़ ZVA67 नेटवर्क एनालाइजर का उपयोग करके डेटा कैप्चर किया, तो हमने पाया कि यह समस्या हेलिकल एंटीना की रोटेशन दिशा सेटिंग और सैटेलाइट एटीट्यूड कंट्रोल सिस्टम के बीच 0.3° विचलन कपलिंग से उत्पन्न हुई थी। इस गड़बड़ी के कारण सीधे पूरे उपग्रह की इक्विवेलेंट आइसोट्रोपिक रेडिएटेड पावर (EIRP) 1.8dB गिर गई, जिससे अंतर्राष्ट्रीय दूरसंचार संघ (ITU) टैरिफ के अनुसार ऑपरेटर को प्रति घंटे $23K का नुकसान हुआ।

[Image showing left hand vs right hand circular polarization helix winding]

हेलिकल एंटेना की रोटेशन दिशा सेटिंग को समझने के लिए, ज्यामितीय चिरैलिटी (geometric chirality) और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंग चिरैलिटी के बीच मैपिंग संबंध को अच्छी तरह से समझना चाहिए। एक विशिष्ट आर्किमिडीयन सर्पिल एंटीना को लें, उदाहरण के लिए: धातु की भुजा को दक्षिणावर्त (Clockwise Spiral) घुमाते समय, फीड पोर्ट पर 90° फेज अंतर सिग्नल लोड करने से वास्तव में लेफ्ट-हैंड सर्कुलर पोलराइजेशन (LHCP) प्रसारित होता है। यह विरोधाभासी घटना मुख्य रूप से इसलिए होती है क्योंकि इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंग के प्रसार की दिशा और संरचनात्मक रोटेशन की दिशा एक राइट-हैंड रूल (Right-Hand Rule) बनाती है। नासा JPL ने अपनी 2023 की परीक्षण रिपोर्ट (JPL D-102353) में विशेष रूप से उल्लेख किया है कि अंतरिक्ष यान पृथक्करण क्षणों के दौरान कोणीय वेग गड़बड़ी 0.5°~2° यांत्रिक मरोड़ का कारण बन सकती है, जो सीधे इस मैपिंग संबंध को तोड़ देती है।

तीन व्यावहारिक परिचालन बिंदुओं को कड़ाई से संबोधित किया जाना चाहिए:

• संरचनात्मक रोटेशन अवधि बनाम तरंग दैर्ध्य अनुपात: जब हेलिक्स परिधि ≈1.25λ (λ ऑपरेटिंग तरंग दैर्ध्य है) होती है, तो सुचारू करंट वितरण संक्रमण सुनिश्चित किया जा सकता है। जापान के NICT के वास्तविक माप बताते हैं कि इस अनुपात से विचलन के परिणामस्वरूप 0.8dB से अधिक अक्षीय अनुपात (Axial Ratio) में गिरावट आती है।
• डाइलेक्ट्रिक लोडिंग प्रभाव: Rogers 5880 सबस्ट्रेट (ε_r=2.2) बनाम PTFE सबस्ट्रेट (ε_r=2.1) का उपयोग प्रभावी विद्युत लंबाई (Electrical Length) में 0.07λ का अंतर पैदा करता है, जो वास्तविक रोटेशन स्टेप आकार को बदलने के बराबर है।
• अंतिम ट्रंकेशन उपचार: हेलिकल भुजा के सिरे का अचानक कटना करंट रिफ्लेक्शन का कारण बनता है। एगिलेंट का EMPro सिमुलेशन साबित करता है कि लाइन की चौड़ाई को 0.1mm तक कम करने से पिछला रेडिएशन 18% कम हो जाता है।

सबसे निराशाजनक स्थिति मल्टीपाथ कपलिंग हस्तक्षेप है। पिछले साल, एक रिमोट सेंसिंग उपग्रह पर हेलिकल एंटीना सरणी स्थापित करते समय, 0.78λ की आसन्न इकाई रिक्ति शुरू में स्वीकार्य थी। हालांकि, वास्तविक इन-ऑर्बिट परीक्षण के दौरान, यह पाया गया कि संरचनात्मक सपोर्ट रॉड्स से द्वितीयक रेडिएशन ने रोटेशन दिशा संवेदनशीलता को 40% बढ़ा दिया। बाद में, सपोर्ट संरचना के लिए कार्बन फाइबर कम्पोजिट सामग्री (डाइलेक्ट्रिक स्थिरांक का वास्तविक भाग 2.8, काल्पनिक भाग 0.002) पर स्विच करने से क्रॉस-पोलराइजेशन (Cross Polarization) -25dB से नीचे आ गया।

सैन्य मानक वास्तव में कठोर हैं — MIL-STD-188-164A धारा 4.3.2.1 के अनुसार, सामरिक हेलिकल एंटेना को 15g कंपन त्वरण के तहत रोटेशन फेज स्थिरता ≤0.7° बनाए रखनी चाहिए। जब हमने फीड संरचना के लिए WR-15 वेवगाइड्स का उपयोग किया, तो हमने पाया कि वैक्यूम वातावरण में सिल्वर कोटिंग ऑक्सीकरण ने सतह के खुरदरापन (Surface Roughness) को 0.1μm से बढ़ाकर 0.3μm कर दिया, जिससे कंडक्टर लॉस (Conductor Loss) सीधे 0.15dB/टर्न तक बढ़ गया। अंत में, हमने आयन इम्प्लांटेशन गोल्ड प्लेटिंग तकनीक को अपनाया, जिससे 10^-6 टोर्र वैक्यूम में 2000 घंटों तक कोई प्रदर्शन गिरावट नहीं होने की पुष्टि हुई।

नवीनतम समाधान पेटेंट US2024178321B2 में देखा जा सकता है, जो असममित हेलिकल भुजा चौड़ाई डिज़ाइन (Asymmetric Arm Width) के माध्यम से उपग्रह स्पिन के कारण होने वाले डॉपलर शिफ्ट की क्षतिपूर्ति करता है। वास्तविक परीक्षणों से पता चला है कि L/S/C बैंड में एक साथ काम करते समय, रोटेशन दिशा स्थिरता में 60% का सुधार हुआ।