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समुद्री एंटीना चुनौतियां
पिछले साल पनामा लंगरगाह पर, एक रोल-ऑन/रोल-ऑफ जहाज के रेडोम सील (radome seal) में दरार आ गई। जहाज मालिक ने 7-स्तरीय हवाओं और लहरों के बावजूद नाविकों को इसे ठीक करने के लिए मस्तूल पर चढ़ने पर जोर दिया—जिसके परिणामस्वरूप 12 घंटे तक केयू-बैंड सिग्नल (Ku-band signal) का नुकसान हुआ, जिससे समुद्री सैटेलाइट फोन बिलों में $20,000 खर्च हुए। इस घटना ने समुद्री एंटेना के “जलरोधक और नमक कोहरे प्रतिरोध” (waterproof and salt fog resistance) दर्द बिंदुओं को उजागर किया।
जहाजों पर पारंपरिक व्हिप एंटेना (whip antennas) पुराने मोबाइल फोन के तैरने जैसा हैं: धातु के कनेक्टर (metal connectors) नमक के कोहरे में तीन महीने के बाद खराब हो जाते हैं, और शीसे रेशा डोम (fiberglass domes) यूवी प्रकाश के तहत दो साल के बाद भंगुर और पीले हो जाते हैं। पिछले साल, डीएनवी (DNV) ने 87 समुद्री जहाजों का यादृच्छिक निरीक्षण किया और पाया कि 65% में वीएसडब्ल्यूआर (VSWR) मानक से 1.5 गुना अधिक था, जिसका अर्थ है कि प्रसारित होने वाले प्रत्येक वाट में से 0.3 वाट वापस परावर्तित हो गए और पावर एम्पलीफायर (power amplifier) को जला दिया।
यूएस नौसेना अनुसंधान प्रयोगशाला (NRL) के डेटा और भी निराशाजनक हैं: 600 घंटों तक स्पलैश ज़ोन (splash zone) में काम करने वाले साधारण एल-बैंड समुद्री एंटेना (L-band marine antennas) की विकिरण दक्षता (radiation efficiency) 82% से गिरकर 47% हो गई। कीसाइट एन5291ए वेक्टर नेटवर्क एनालाइजर (Keysight N5291A vector network analyzer) से स्मिथ चार्ट (Smith Chart) के परिणाम फाइब्रिलेशन (fibrillation) दिखाते हुए एक ईसीजी (ECG) की तरह दिखते थे, जिसमें प्रतिबाधा मिलान (impedance matching) पूरी तरह से बाधित हो गया था।
वर्तमान सैन्य-ग्रेड समाधान सीधे लेकिन प्रभावी हैं:
- पारंपरिक एफआर-4 सामग्री (FR-4 materials) को एल्यूमीनियम नाइट्राइड सिरेमिक सबस्ट्रेट्स (aluminum nitride ceramic substrates) से बदलना, ढांकता हुआ स्थिरांक (dielectric constant) को 4.3 से 6.2 तक कम करना, सीधे उच्च-आवृत्ति हानि (high-frequency losses) को समतल करना।
- सोने-पैलेडियम मिश्र धातु (gold-palladium alloy) की 2$\mu\{m}$ मोटी परत के साथ लेपित फीडिंग नेटवर्क (Feeding networks), नमक कोहरे परीक्षण सहनशक्ति को 240 घंटे से बढ़ाकर 2000 घंटे करना।
- सबसे चरम उपाय में वैक्यूम ब्रेजिंग (vacuum brazing) शामिल है, वेवगाइड जोड़ों को सील करके $\{10}^{-9}\{ Pa}\cdot\{m}^3/\{s}$ की वायु जकड़न (air tightness) प्राप्त करना, पनडुब्बी सीलिंग मानकों (submarine sealing standards) को पार करना।
कनाडाई तटरक्षक (Canadian Coast Guard) द्वारा पिछले साल आर्कटिक सर्कल में किए गए अधिक विश्वसनीय परीक्षणों से पता चला कि नए ब्लेड एंटेना से लैस आइसब्रेकर ने $-40^{\circ}\{C}$ बर्फीले वातावरण में सी-बैंड बिट त्रुटि दर (C-band bit error rate) (BER) $10^{-3}$ से $10^{-7}$ तक बनाए रखी। रहस्य रेडोम (radome) के लिए एक तीन-परत सैंडविच संरचना (three-layer sandwich structure) में निहित है—बाहरी परत यूवी-प्रतिरोधी पॉलीथरईथरकेटोन (PEEK) है, मध्य परत में $0.1\{mm}$ मोटी आवृत्ति चयनात्मक सतह (frequency selective surface) (FSS) फिल्म शामिल है, और आंतरिक परत अवशोषक कार्बन फेल्ट (absorbent carbon felt) का उपयोग करती है, जो आउट-ऑफ-बैंड हस्तक्षेप (out-of-band interference) को $28\{dB}$ तक प्रभावी ढंग से दबाती है।
हालांकि, जहाज मालिकों को सबसे ज्यादा लागत की परवाह है। लॉयड के रजिस्टर (Lloyd’s Register) की गणना के अनुसार, सैन्य-ग्रेड एंटीना प्रणाली के साथ बदलने में शुरू में तीन गुना अधिक खर्च आता है, लेकिन सात साल के जीवनचक्र (seven-year lifecycle) में रखरखाव शुल्क में 54% की बचत होती है। यह कैसे जुड़ता है? केवल एंटीना विफलताओं के कारण होने वाली देरी से बचने से, एक 3500TEU कंटेनर जहाज सालाना $150,000$ बचा सकता है।
बेशक, विफलताएं भी हुई हैं: एक यूरोपीय शिपयार्ड ने एलएनजी वाहक (LNG carriers) पर फैराडे केज प्रभाव (Faraday Cage Effect) पर विचार किए बिना सर्वदिशात्मक एंटेना (omnidirectional antennas) स्थापित किए, जिससे नेविगेशन सिग्नल रुक-रुक कर आए। अंततः, बीमफॉर्मिंग (beamforming) के लिए लूनबर्ग लेंस (Luneburg lenses) का उपयोग करने से समस्या हल हो गई, जिससे सीखे गए सबक में $\{€}2$ मिलियन की लागत आई।
ब्लेड एंटीना का स्लिमिंग डाउन
पिछले साल एक दक्षिण चीन सागर अनुसंधान पोत (South China Sea research vessel) पर आरएफ उन्नयन (RF upgrades) के दौरान, कप्तान ने डेक पर जंग लगे पुराने परवलयिक एंटेना के बारे में शिकायत की: “यह चीज़ लंगर से अधिक भारी है, और खराब समुद्र में रडार डिस्कनेक्ट हो जाता है!” हमने पाया कि पारंपरिक संरचनाओं में सतह तरंग दमन अनुपात (surface wave suppression ratio) (SWSR) केवल $23\{dB}$ था, जिसका अर्थ है कि फ़ीड लाइन (feed line) का प्रत्येक मीटर $0.8\{dB}$ सिग्नल की खपत करता है—जिसे किसी भी उपग्रह परियोजना से बाहर निकाल दिया जाएगा।
एक अनुभवी नौसैनिक इंजीनियर ने हमें कुछ चौंकाने वाले डेटा दिखाए: एक निश्चित विध्वंसक (destroyer) की सी-बैंड सरणी (C-band array) पर, समुद्र राज्य स्तर 8 (sea state level 8) की स्थितियों के तहत, वेवगाइड फ्लैंगेस (waveguide flanges) के लिए मल्टीपैक्शन थ्रेशोल्ड (multipaction threshold) डिजाइन मूल्यों के 67% तक गिर गया। यह कुछ ऐसा नहीं है जिसे स्क्रू बदलकर ठीक किया जाता है—इसके लिए संरचनात्मक परिवर्तनों की आवश्यकता होती है। हमारी टीम ने एचएफएसएस सिमुलेशन (HFSS simulations) का उपयोग करके पाया कि एंटीना की मोटाई को $\lambda/40$ ($2.4\{GHz}$ पर $3\{mm}$) तक संपीड़ित करने से किनारे विवर्तन क्षेत्र पुनर्निर्माण (edge diffraction field reconstruction) का लाभ उठाया जा सकता है ताकि विकिरण दक्षता (radiation efficiency) में 10% का सुधार हो सके।
उदाहरण के लिए, COSCO शिपिंग के लिए 300,000 टन के तेल टैंकर का उन्नयन करते समय, हमने पारंपरिक हॉर्न एंटेना की तुलना हमारे ब्लेड समाधान से की। कीसाइट एन9048बी स्पेक्ट्रम एनालाइजर (Keysight N9048B spectrum analyzer) ने दिखाया कि $\pm15^{\circ}$ रोलिंग स्थितियों के तहत, नए एंटीना का ध्रुवीकरण अलगाव (polarization isolation) $28\{dB}$ से ऊपर स्थिर रहा, जबकि पुराने उपकरण $12\{dB}$ तक गिर गए। VSAT वीडियो कॉन्फ्रेंस रुकावटें प्रति घंटे चार से घटकर 0.3 हो गईं।
रहस्य सामग्री विज्ञान (material science) में निहित है! साधारण एल्यूमीनियम मिश्र धातुएं (aluminum alloys) अधिकतम $0.8\mu\{m}$ की सतह खुरदरापन (surface roughness) (Ra) प्राप्त करती हैं, जबकि हमारी एएलटीआईएन कोटिंग (AlTiN coating) Ra को $0.2\mu\{m}$ तक कम कर देती है। $0.6\mu\{m}$ के अंतर को कम मत समझो—केयू-बैंड ($12-18\{GHz}$) में, इसका मतलब है कि त्वचा प्रभाव हानि (skin effect loss) $0.15\{dB/m}$ तक कम हो जाती है।
- शिपबोर्ड परीक्षण के दौरान एक अप्रत्याशित खोज यह थी कि नमक कोहरे के वातावरण में पतली संरचनाएं मोटी संरचनाओं की तुलना में इंटरमॉड्यूलेशन विरूपण (intermodulation distortion) (IMD) $14\{dBc}$ कम प्रदर्शित करती हैं।
- यह अभिनव श्रेणीबद्ध पारगम्यता डिजाइन (graded permittivity design) के कारण है, जो विद्युत चुम्बकीय तरंगों को स्लाइड से नीचे फिसलने की तरह सुचारू रूप से संक्रमण करने की अनुमति देता है।
- समुद्री रडार में सामान्य “सेक्टर हानि” (sector loss) समस्या को मैग्नेटो-इलेक्ट्रिक द्विध्रुवीय हाइब्रिड फीडिंग (magneto-electric dipole hybrid feeding) का उपयोग करके हल किया जाता है, जिससे $\pm1.2\{dB}$ के भीतर पैटर्न गोलाकारता (pattern circularity) प्राप्त होती है।
सैन्य-ग्रेड की छोटी जानकारी: पनडुब्बी संचार बुआ (submarine communication buoys) के लिए ब्लेड संरचनाओं को अपनाने के बाद, नीले-हरे लेजर संचार (blue-green laser communication) BER $10^{-5}$ से $10^{-7}$ तक सुधर गया। मुख्य बिंदु: मूल रूप से मुट्ठी के आकार के आरएफ फ्रंट एंड (RF front end) को क्रेडिट कार्ड के आकार में सिकोड़ना—सीमित पनडुब्बी डिब्बों में जीवन बचाने वाला सुधार।
लेकिन हल्के डिजाइनों की सीमाएं होनी चाहिए—हमने एक बार $1.6\{mm}$ मोटी समुद्री एंटीना बनाई, जिसके परिणामस्वरूप थर्मल विस्तार बेमेल के गुणांक (coefficient of thermal expansion mismatch) (CTE Mismatch) के कारण $-40^{\circ}\{C}$ आर्कटिक यात्राओं के दौरान वीएसडब्ल्यूआर (VSWR) में $2.5$ तक वृद्धि हुई। अब हम हमेशा ट्रिपल-तापमान टीआरएल अंशांकन (triple-temperature TRL calibration) करते हैं: $-55^{\circ}\{C}$, $25^{\circ}\{C}$, और $85^{\circ}\{C}$ पर एस पैरामीटर (S parameters) का परीक्षण करना।
हाल ही में, हमें एक कठिन चुनौती का सामना करना पड़ा—अंटार्कटिक अनुसंधान पोतों पर $100\{km/h}$ हवा की गति पर प्रदर्शन बनाए रखने के लिए एक एंटीना की आवश्यकता थी। हमने मेटासरफेस चरण मुआवजा (metasurface phase compensation) नियोजित किया। ANSYS द्रव-ठोस युग्मन सिमुलेशन (ANSYS fluid-solid coupling simulations) से पता चला कि जब संरचनाएं $0.7\{mm}$ से विकृत होती हैं, तो विद्युत चुम्बकीय चरण अंतर (electromagnetic phase differences) स्वचालित रूप से 82% तक ठीक हो जाते हैं। इस तकनीक ने 8-स्तरीय हवाओं के तहत लाभ उतार-चढ़ाव (gain fluctuations) को $\pm3\{dB}$ से $\pm0.5\{dB}$ तक कम कर दिया।
भारी समुद्र में ऑनलाइन रहना
पिछले साल, नॉर्वेजियन अपतटीय पोत (offshore vessel) “आर्कटिक पायनियर” को एक असामान्य घटना का सामना करना पड़ा—बैरेन्ट्स सागर (Barents Sea) में 8-मीटर लहरों और $15^{\circ}$ रोल के बीच डेप्थ साउंडर (depth sounder) विफल हो गया, जिससे उपग्रह सिग्नल सर्किट ब्रेकर (circuit breaker) ट्रिपिंग से भी तेजी से गिर गए। जहाज मालिक गुस्से में था क्योंकि आईटीयू-आर एम.1464 मानकों (ITU-R M.1464 standards) के अनुसार, जब रोल $12^{\circ}$ से अधिक हो जाता है तो साधारण व्हिप एंटेना $3\{dB}$ सिग्नल मार्जिन खो देते हैं। हालांकि, उनका डेक-माउंटेड ब्लेड एंटीना टिका रहा, जिससे ईआईआरपी उतार-चढ़ाव $\pm0.8\{dB}$ के भीतर बना रहा।
| सूचकांक (Index) | पारंपरिक व्हिप एंटीना (Traditional Whip Antenna) | ब्लेड एंटीना (Blade Antenna) | विफलता सीमा (Failure Threshold) |
|---|---|---|---|
| रोल मुआवजा गति (Roll Compensation Speed) | $3^{\circ}/\{sec}$ | $28^{\circ}/\{sec}$ | $>15^{\circ}/\{sec}$ सिग्नल हानि की ओर जाता है |
| मल्टीपाथ दमन अनुपात (Multipath Suppression Ratio) | $-12\{dB}$ | $-26\{dB}$ | $< -20\{dB}$ उछाल प्रतिबिंबों (surge reflections) का विरोध करने के लिए आवश्यक है |
| नमक कोहरे संक्षारण सहनशीलता (Salt Fog Corrosion Tolerance) | 200 घंटे | 2000 घंटे | MIL-STD-810H $\geq1500\{h}$ की आवश्यकता है |
रहस्य ब्लेड एंटीना की ढांकता हुआ लोड वेवगाइड (dielectric loaded waveguide) संरचना में निहित है, जो विद्युत चुम्बकीय तरंगों के लिए एक राजमार्ग की तरह कार्य करता है, जो कोर क्षेत्र तक $\{TE}_{11}$ मोड क्षेत्रों को सीमित करने के लिए एल्यूमिना सिरेमिक (alumina ceramics) का उपयोग करता है। परीक्षण से पता चलता है कि एक्स-बैंड सतह तरंग रिसाव (X-band surface wave leakage) पारंपरिक डिजाइनों की तुलना में 67% कम हो गया है, अनिवार्य रूप से उन सिग्नलों को पुनर्प्राप्त करना जो पहले लहरों के कारण खो गए थे।
- जबकि जहाज की गति के दौरान साधारण एंटेना के विकिरण पैटर्न जेली की तरह डगमगाते हैं, ब्लेड एंटेना की मैग्नेटो-इलेक्ट्रिक द्विध्रुवीय सरणियाँ (magneto-electric dipole arrays) मुख्य लोब पॉइंटिंग सटीकता (main lobe pointing accuracy) बनाए रखती हैं, जो जाइरोस्कोप (gyroscopes) में कोणीय गति संरक्षण (angular momentum conservation) के समान है।
- एल्यूमीनियम नाइट्राइड सिरेमिक + PEEK के तीन-परत समग्र (three-layer composite) का उपयोग करके, एंटीना डेक पर $32$ मीटर प्रति सेकंड के नमक कोहरे के प्रभावों का सामना कर सकता है (प्रेशर वॉशर के साथ उपकरण पर समुद्री जल का छिड़काव करने के बराबर)।
- एक गतिशील प्रतिबाधा मिलान सर्किट (dynamic impedance matching circuit) हर 18 मिलीसेकंड में वीएसडब्ल्यूआर (VSWR) को स्कैन करता है और उछाल (surges) के कारण होने वाले प्रतिबाधा परिवर्तनों का पता लगाने पर तीन आरएफ चक्रों (RF cycles) के भीतर ट्यून करता है।
पिछले साल, डच समुद्री प्राधिकरण (Dutch Maritime Authority) ने नकली रोल प्लेटफॉर्म पर तुलनात्मक परीक्षणों के लिए रोहडे एंड श्वार्ज़ जेडवीबी20 नेटवर्क एनालाइजर (Rohde & Schwarz ZVB20 network analyzer) का उपयोग किया। ब्लेड एंटेना ने $20^{\circ}$ झुकाव पर पारंपरिक एंटेना की तुलना में $4.7\{dB}$ छोटे $\{S}_{21}$ पैरामीटर उतार-चढ़ाव प्रदर्शित किए। इस डेटा को समुद्री उपकरणों के लिए नए आईईसी 60945-2022 (IEC 60945-2022) प्रमाणन मानकों के अनुलग्नक में सीधे शामिल किया गया था।
इससे भी अधिक प्रभावशाली इसका स्व-उपचार तंत्र (self-healing mechanism) है। अंटार्कटिक अनुसंधान पोत “स्नो ड्रैगन 2” पर 2023 में एल-बैंड फीडर कनेक्टर (L-band feeder connector) के टूटने की अजीब विफलता याद है? सिस्टम स्वचालित रूप से रिज वेवगाइड कपलिंग (ridge waveguide coupling) मोड पर स्विच हो गया, मरम्मत दल के आने तक जहाज की धातु संरचना को एक अस्थायी रेडिएटर (temporary radiator) के रूप में उपयोग किया, जिससे $120$ मिलियन डॉलर के वैज्ञानिक डेटा का नुकसान रोका गया।
वर्तमान में, दुनिया की शीर्ष 20 शिपिंग कंपनियों में से 17 के पुलों के ऊपर ये ब्लेड के आकार के एंटेना स्थापित हैं। अगली बार जब आप भारी समुद्र में मालवाहक जहाजों को लगातार ईमेल भेजते हुए देखें, तो यह संभवतः इस अत्याधुनिक तकनीक के कारण है।
पुराने नाविक सभी इसकी प्रशंसा करते हैं
पिछले तूफान के मौसम में दक्षिण चीन सागर में, ओल्ड चेन के वीएलसीसी (VLCC) तेल टैंकर रडार अचानक खराब हो गए, स्क्रीन पर मछली पकड़ने के जाल से अधिक बर्फ थी। जहाज अन्य टैंकरों के बीच सिंगापुर जलडमरूमध्य (Singapore Strait) से गुजर रहा था, और इस बूढ़े ने कंसोल पर मुक्का मारा: “यह टूटा हुआ एंटीना मेरी दूरबीन से भी बदतर है!” लेकिन इस साल, नया ब्लेड एंटीना स्थापित करने के बाद, बूढ़ा अब हर किसी को डींग मारता है जिससे वह मिलता है: “यह चीज़ पहले साथी की ज्वार गणना से अधिक सटीक है।”
समुद्री एंटेना के लिए सबसे महत्वपूर्ण मुद्दा नमक कोहरे का संक्षारण है। साधारण सरणी एंटेना आधे साल के भीतर जहाज के लंगर से भी तेजी से जंग खा जाते हैं। पिछले साल के समुद्री प्रदर्शनी में, एक जापानी ब्रांड के एल-बैंड एंटीना ने नमक कोहरे परीक्षण के दौरान वीएसडब्ल्यूआर (VSWR) को $2.5$ तक बढ़ते हुए देखा, जिसका अर्थ है कि प्रसारित होने वाले प्रत्येक तीन वाट में से एक वाट वापस परावर्तित हो गया। इसके विपरीत, एल्यूमीनियम नाइट्राइड सिरेमिक (aluminum nitride ceramics) के साथ लेपित नई ब्लेड संरचना, एमआईएल-एसटीडी-810जी नमक कोहरे परीक्षण (MIL-STD-810G salt fog testing) में 720 घंटों के बाद केवल $0.15\{dB}$ सम्मिलन हानि (insertion loss) बढ़ी।
- ओल्ड झांग के बल्क कैरियर परीक्षण के परिणाम: पारंपरिक एंटेना के साथ, मलक्का जलडमरूमध्य (Malacca Strait) से गुजरते समय हमेशा $12^{\circ}-15^{\circ}$ के सिग्नल अंध बिंदु (signal blind spots) होते थे; अब, त्रुटियां $3^{\circ}$ के भीतर नियंत्रित होती हैं।
- एक नॉर्वेजियन क्रूज लाइन के लिए एक शर्मनाक क्षण: पिछले साल, एंटीना आइसिंग (antenna icing) के कारण स्वचालित डॉकिंग सिस्टम (automatic docking system) विफल होने के कारण, उन्हें टगों (tugs) का उपयोग करना पड़ा, जिसमें अतिरिक्त $70,000$ की लागत आई।
- कैप्टन वांग का विशेष कौशल: अब वह एआरपीए रडार (ARPA radar) देखते हुए कॉफी का आनंद ले सकते हैं, जबकि पहले उन्हें मछली के स्कूलों की तलाश में स्क्रीन को घूरना पड़ता था।
मल्टीपाथ हस्तक्षेप (Multipath interference) समुद्री संचार का सबसे रहस्यमय पहलू है, खासकर जब एक 200,000 टन का मालवाहक जहाज सिग्नल को ब्लॉक करता है, जिससे वह पतवार के किनारों से पांच या छह बार उछलता है। एक बार बुसान बंदरगाह (Busan Port) में, ओल्ड ली के कंटेनर जहाज ने पारंपरिक एंटेना का उपयोग करके तट संकेतों को $10^{-3}$ जितना उच्च बिट त्रुटि दर (BER) के साथ प्राप्त किया, जो प्रति हजार एक गलत कमांड के बराबर था। ब्लेड सरणियों पर स्विच करने के बाद, अनुकूली बीमफॉर्मिंग (adaptive beamforming) ने हस्तक्षेप को $-25\{dB}$ से नीचे कम कर दिया, यहां तक कि डॉक श्रमिकों के वॉकी-टॉकी (walkie-talkies) पर स्थैतिक (static) को भी कम कर दिया।
इन अनुभवी नाविकों को सबसे अधिक वास्तविक दुनिया के प्रदर्शन की प्रशंसा है: पिछले महीने के टाइफून हैशेन (Typhoon Haishen) के दौरान, नए एंटेना से लैस छह जहाजों ने 9-स्तरीय हवाओं और लहरों में $\pm0.5\{dB}$ सिग्नल स्थिरता बनाए रखी, जबकि पारंपरिक एंटेना का उपयोग करने वाले पड़ोसी जहाजों ने छह घंटे तक संपर्क खो दिया। अब, मुख्य इंजीनियर चैट करते हुए कहते हैं: “यह एंटीना मुख्य इंजन से अधिक कठिन है,” क्योंकि फारस की खाड़ी (Persian Gulf) में डेक का तापमान $70^{\circ}\{C}$ तक पहुंचने पर भी, इसका चरण शोर (phase noise) $-110\{dBc/Hz}$ से नीचे रहता है।
यदि कोई कमियां हैं, तो हांगकांग के ओल्ड हुआंग ने एक बार $0.5^{\circ}$ तक सटीक स्थापना कोणों की आवश्यकता के बारे में शिकायत की थी, “सैटेलाइट डिश (satellite dishes) को समायोजित करने से अधिक जटिल।” लेकिन एक फ्लूके एनवी300 (Fluke NV300) के साथ पैटर्न मापने के बाद, उसने शिकायत करना बंद कर दिया—क्षैतिज बीमविड्थ (horizontal beamwidth) $22^{\circ}$ तक संकीर्ण हो गई, जो पिछले $60^{\circ}$ एंटेना की तुलना में तीन गुना अधिक सटीक है। अब, इन पुराने कप्तानों को एक नई समस्या है: नेविगेशन उपकरण इतने सटीक हैं कि वे अब देर से आने के बहाने के रूप में “सिग्नल बहाव (signal drift)” का उपयोग नहीं कर सकते हैं।
स्थापना आधी जगह बचाती है
पिछले साल, डीएनवी जीएल (DNV GL) की रिपोर्ट में सामने आए एक कठोर मामले से पता चला कि जब एक रोल-ऑन/रोल-ऑफ जहाज में एक केयू-बैंड सैटेलाइट संचार एंटीना जोड़ा गया, तो पारंपरिक परवलयिक एंटीना ने डेक की ऊंचाई का $1.2$ मीटर घेर लिया, जिससे डिजाइनरों को लाइफबोट भंडारण क्षेत्रों (lifeboat storage areas) का त्याग करने के लिए मजबूर होना पड़ा। यदि आज ब्लेड एंटेना का उपयोग किया जाता है, तो ऊंचाई को $58\{ cm}$ तक कम किया जा सकता है, जिससे डेक उपयोगिता दोगुनी हो जाती है।
रहस्य 3डी स्टैक्ड वेवगाइड तकनीक (3D stacked waveguide technology) में निहित है। सामान्य सी-बैंड समुद्री एंटेना के लिए, पारंपरिक डिजाइन फीड नेटवर्क, पोलराइज़र (polarizers), और विकिरण तत्वों (radiating elements) को एक सीधी रेखा में व्यवस्थित करते हैं, जैसे कि एक मेज पर सभी मदरबोर्ड घटकों को फैलाना। ब्लेड एंटेना 3डी फोल्डिंग के साथ खेलते हैं:
- फीडर लाइनें (Feeder lines) सर्पेन्टाइन रूटिंग (serpentine routing) के साथ ढांकता हुआ-लोडेड वेवगाइड (dielectric-loaded waveguides) का उपयोग करती हैं।
- विकिरण पैच (Radiating patches) एक हजार-परत केक की तरह लंबवत रूप से ढेर होते हैं।
- चरण शिफ्टर्स (Phase shifters) जो मूल रूप से क्षैतिज रूप से फैले हुए थे, सिक्का आकार के एलटीसीसी मॉड्यूल (LTCC modules) में संपीड़ित होते हैं।
यह कितना शक्तिशाली है? मित्सुई शिपबिल्डिंग (Mitsui Shipbuilding) के परीक्षण डेटा को देखें: एक 93-मीटर रासायनिक टैंकर पर, स्थापना स्थान पारंपरिक समाधानों द्वारा आवश्यक $2.4\{m}\times 1.8\{m}$ से घटकर $1.1\{m}\times 0.7\{m}$ हो गया, जिससे डेक खोलने का आकार 63% कम हो गया। इससे भी बेहतर, वे मुक्त स्थान में दो अतिरिक्त एआईएस ट्रांसपोंडर (AIS transponders) को फिट करने में कामयाब रहे।
यहां वेवगाइड झुकने का त्रिज्या (Waveguide bending radius) महत्वपूर्ण है। $18\{GHz}$ आवृत्तियों पर पारंपरिक तांबे के वेवगाइड केवल तरंग दैर्ध्य (wavelength) के तीन गुना तक झुक सकते हैं, लेकिन मेटासामग्री सतहों (metamaterial surfaces) का उपयोग करके नए एल्यूमीनियम नाइट्राइड सिरेमिक वेवगाइड (aluminum nitride ceramic waveguides) झुकने के त्रिज्या को तरंग दैर्ध्य के $1.2$ गुना तक कम कर देते हैं। यह माइक्रोवेव सिग्नलों को मोड विरूपण (mode distortion) के बिना एक नाखून के आकार के क्षेत्र में तीन समकोण मोड़ बनाने की अनुमति देता है।
एक जीवित उदाहरण पिछले साल तटरक्षक के लिए संशोधित डेमन शिपयार्ड (Damen Shipyards) की गश्ती नौकाएं (patrol boats) हैं। शुरू में मस्तूल शीर्ष पर $25\{cm}$ खोलने की आवश्यकता की योजना बनाई गई थी, ब्लेड एंटेना पर स्विच करने से यह सिर्फ $12\{cm}$ तक कम हो गया। जैसा कि एक इंस्टॉलर ने कहा, “एंटेना स्थापित करना अब कार वाइपर बदलने जैसा है—एक लिफ्ट पर दो लोग $20$ मिनट में खत्म कर सकते हैं, जबकि पहले मचान (scaffolding) की आवश्यकता होती थी।”
सामग्री के लिहाज से, काली प्रौद्योगिकियां (black technologies) भी हैं। ग्राफीन-प्रबलित समग्र सबस्ट्रेट्स (Graphene-reinforced composite substrates) में पारंपरिक एफआर4 सामग्रियों की तुलना में छह गुना अधिक तापमान स्थिरता होती है, जिसका अर्थ है कि एकीकृत पैकेजिंग के दौरान किसी थर्मल विस्तार भत्ते (thermal expansion allowance) की आवश्यकता नहीं होती है। एमआईएल-एसटीडी-810एच कंपन परीक्षणों (MIL-STD-810H vibration tests) के अनुसार, पारंपरिक संरचनाओं को उनके चारों ओर $5\{cm}$ निकासी (clearance) की आवश्यकता होती है, जबकि इन्हें बिना किसी डर के सीधे बल्कहेड (bulkhead) के खिलाफ लगाया जा सकता है।
उनका क्षेत्र अंशांकन समाधान (field calibration solution) भी प्रभावशाली है। पारंपरिक यांत्रिक समायोजन तंत्र के बजाय जाइरोस्कोप-सुसज्जित ऑटो-अलाइनिंग बेस (gyroscope-equipped auto-aligning base) का उपयोग करने से स्थापना त्रुटियां $\pm3^{\circ}$ से $\pm0.5^{\circ}$ तक कम हो जाती हैं। अनुभवी शिपयार्ड कार्यकर्ता अब मोबाइल गुरुत्वाकर्षण संवेदन खेलों (mobile gravity sensing games) की तरह एंटेना स्थापित करते हैं—बस अंशांकन (calibrate) के लिए बाएं और दाएं झुकाव करें।
परीक्षण डेटा आश्वस्त करने वाला है: $\pm25^{\circ}$ रोलिंग की चरम स्थितियों के तहत, ब्लेड एंटेना पारंपरिक समाधानों की तुलना में 87% अधिक पॉइंटिंग स्थिरता (pointing stability) दिखाते हैं। ये प्रयोगशाला के आंकड़े नहीं हैं, बल्कि उत्तरी सागर के तूफानों के दौरान $4.2$ मीटर ऊंची लहरों और रेडोम पर बर्फ बनने के साथ लिए गए वास्तविक माप हैं।
क्या अन्य जहाज इसका उपयोग कर सकते हैं?
पिछले साल, नॉर्वेजियन एपिक क्रूज जहाज (Norwegian Epic cruise ship) का कैरिबियन में सी स्टेट 3 (Sea State 3) से सामना हुआ, जहां उनका परवलयिक एंटीना नमक की धुंध (salt mist) से धुंधला हो गया, जिससे रडार अनुपयोगी हो गया। कप्तान को बचाव दलों को अपनी स्थिति की रिपोर्ट करने के लिए आधे घंटे तक वीएचएफ (VHF) के माध्यम से चिल्लाना पड़ा। इस घटना ने एक महत्वपूर्ण सवाल उठाया: क्या प्रचारित ब्लेड एंटेना तेल टैंकरों, अनुसंधान जहाजों और युद्धपोतों जैसे विभिन्न जहाजों पर मज़बूती से प्रदर्शन कर सकते हैं?
सबसे पहले, विशाल तेल टैंकरों (giant oil tankers) के लिए, पारंपरिक एंटेना लगाने के लिए रेलिंग को तोड़ना और ब्रैकेट (brackets) को वेल्ड करना पड़ता है। हालांकि, मार्सक (Maersk) ने विशेष टाइटेनियम मिश्र धातु चिपकने वाले (titanium alloy adhesive) का उपयोग करके वीएलसीसी की चिमनी के किनारे पर सीधे माउंटिंग का सफलतापूर्वक परीक्षण किया। हिंद महासागर मानसून (Indian Ocean monsoon) के मौसम में तीन महीने के बाद, वीएसडब्ल्यूआर (VSWR) $1.5$ से नीचे रहा। हालांकि, ध्यान दें कि डेक का तापमान $70^{\circ}\{C}$ तक पहुंच सकता है, जिसके लिए साधारण सिलिकॉन गास्केट (silicone gaskets) के बजाय पॉलीमाइड थर्मल पैड (polyimide thermal pads) की आवश्यकता होती है।
अनुसंधान जहाजों को बड़ी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। अंटार्कटिक अनुसंधान पोत ज़्यूलॉन्ग 2 (Xuelong 2) पर इंजीनियर बर्फ क्रिस्टल जमाव (ice crystal deposition) से त्रस्त थे। जब नियमित रेडोम पर बर्फ $5\{mm}$ से अधिक मोटी हो जाती है, तो ध्रुवीकरण अलगाव (polarization isolation) ध्वस्त हो जाता है। एल्यूमीनियम नाइट्राइड सब्सट्रेट हीटर (aluminum nitride substrate heaters) का उपयोग करके स्व-हीटिंग ब्लेड एंटेना पर स्विच करने से बिजली की खपत $12\{W/m}^{2}$ से नीचे रही, जिससे $-40^{\circ}\{C}$ पर भी अक्षीय अनुपात (axial ratios) $3\{dB}$ के भीतर बना रहा।
युद्धपोत सबसे कठिन चुनौती पेश करते हैं। एनआरएल (NRL) की रिपोर्ट बताती है कि आर्ले बर्क-श्रेणी के विध्वंसक (Arleigh Burke-class destroyers) पर ब्लेड एंटेना स्थापित करने में गंभीर विद्युत चुम्बकीय संगतता (electromagnetic compatibility) समस्याओं का सामना करना पड़ा—वाणिज्यिक जहाजों की तुलना में 20 गुना बदतर। चरणबद्ध सरणी रडार (Phased array radars) ने एंटीना पोर्ट पर $400\{V}$ उछाल दालों (surge pulses) को प्रेरित किया। प्लाज्मा लिमिटर्स (plasma limiters) जोड़ने से एमआईएल-एसटीडी-461जी (MIL-STD-461G) परीक्षण पास करने में मदद मिली। एक चेतावनी: युद्धपोत डेक पर इस्तेमाल होने वाला कम चुंबकीय स्टील एंटीना पैटर्न को प्रभावित करता है, जिससे निकट-क्षेत्र अंशांकन (near-field calibration) आवश्यक हो जाता है।
अभिनव कदमों में मित्सुबिशी हैवी इंडस्ट्रीज (Mitsubishi Heavy Industries) द्वारा जहाज की रेल में ब्लेड एंटेना को मेटासामग्री कोटिंग्स (metamaterial coatings) का उपयोग करके एम्बेड करना शामिल है, जिससे 316एल स्टेनलेस स्टील (316L stainless steel) कृत्रिम चुंबकीय कंडक्टर (artificial magnetic conductors) (AMC) में बदल जाता है, जिससे $2.4\{GHz}$ वाईफाई सिग्नल $8\{dB}$ तक बढ़ जाता है। हालांकि, खुरदरे समुद्र के दौरान पतन से बचने के लिए वेल्ड थकान शक्ति (weld fatigue strength) को डीएनवीजीएल-आरपी-सी203 (DNVGL-RP-C203) मानकों को पूरा करना होगा।
एक विरोधाभासी तथ्य: मछली पकड़ने वाली नावें वास्तव में सबसे कठिन हैं। झेजियांग में ताइझोउ शिपयार्ड (Taizhou shipyard) ने पाया कि समुद्री गल (seagull) के मल ने रातोंरात नए स्थापित एंटेना को ढक दिया। समाधानों में शामिल हैं: ① स्थापना की ऊंचाई समुद्री गल गोता प्रक्षेपवक्र (seagull diving trajectory) के $1.5$ गुना से अधिक होनी चाहिए; ② फ्लोरोकार्बन कोटिंग (fluorocarbon coating) के साथ सतह उपचार सुनिश्चित करता है कि मल आसानी से धुल जाए। यह इस बात को रेखांकित करता है कि समुद्री संचार के लिए कोई सार्वभौमिक समाधान नहीं है, जिसके लिए वर्गीकरण समाज नियमों (classification society rules) का सावधानीपूर्वक पालन करने की आवश्यकता होती है।
