एक उच्च-आवृत्ति वाले वेवगाइड एंटीना को डिज़ाइन करने के लिए उसके आंतरिक आयामों की सटीक गणना की आवश्यकता होती है ताकि वांछित प्रसार मोड का समर्थन किया जा सके, आमतौर पर प्रमुख मोड के लिए कम से कम 0.7$\lambda$ की चौड़ाई का उपयोग किया जाता है। तांबे जैसी कम-क्षति वाली सामग्री का सावधानीपूर्वक चयन और प्रतिबाधा मिलान (impedance matching) के लिए कठोर सिमुलेशन (simulation) सिग्नल क्षीणन को कम करने और बिजली हस्तांतरण दक्षता को अधिकतम करने के लिए महत्वपूर्ण हैं।
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वेवगाइड मूल बातें समझना
वेवगाइड अनिवार्य रूप से खोखले धातु ट्यूब या ढांकता हुआ (dielectric) संरचनाएं हैं जिनका उपयोग उच्च-आवृत्ति वाली रेडियो तरंगों (जैसे माइक्रोवेव) को एक बिंदु से दूसरे स्थान तक बहुत कम क्षति के साथ ले जाने के लिए किया जाता है, आमतौर पर अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए सिस्टम में 10 GHz के आसपास 0.1 dB प्रति मीटर से कम। समाक्षीय केबलों (coaxial cables) के विपरीत, जिनमें आवृत्ति बढ़ने पर क्षीणन बढ़ता जाता है, वेवगाइड अपनी कटऑफ आवृत्ति से ऊपर अधिक कुशल हो जाते हैं, जो आमतौर पर 2-3 GHz और उससे अधिक होती है। उदाहरण के लिए, एक मानक WR-90 आयताकार वेवगाइड (एक्स-बैंड के लिए सामान्य) का आंतरिक क्रॉस-सेक्शन 22.86 मिमी $\times$ 10.16 मिमी है और यह 8.2 और 12.4 GHz के बीच इष्टतम रूप से संचालित होता है।
मूल सिद्धांत यह है कि वेवगाइड के भौतिक आयाम सिग्नल की तरंग दैर्ध्य के बराबर होने चाहिए। एक आयताकार वेवगाइड के लिए, प्रमुख मोड ($TE_{10}$) के लिए कटऑफ तरंग दैर्ध्य मोटे तौर पर गाइड की चौड़ाई का दोगुना होता है। इसलिए यदि आप 15 GHz (तरंग दैर्ध्य $\approx$20 मिमी) पर काम कर रहे हैं, तो आपके वेवगाइड की चौड़ाई कम से कम 10 मिमी होनी चाहिए। यदि यह छोटा है, तो तरंग का प्रसार नहीं होगा – यह तेजी से क्षीण (attenuated) हो जाएगी।
| वेवगाइड मानक | आवृत्ति रेंज (GHz) | आंतरिक आयाम (मिमी) | विशिष्ट क्षति (dB/m) |
|---|---|---|---|
| WR-430 | 1.7–2.6 | 109.2 $\times$ 54.6 | $\approx$0.02 |
| WR-90 | 8.2–12.4 | 22.86 $\times$ 10.16 | $\approx$0.07 |
| WR-42 | 18–26.5 | 10.67 $\times$ 4.32 | $\approx$0.13 |
सबसे आम मोड $TE_{10}$ (अनुप्रस्थ विद्युत) है, जहां विद्युत क्षेत्र प्रसार की दिशा के अनुप्रस्थ (transverse) होता है और चौड़ाई में एक अर्ध-तरंग भिन्नता होती है। इस मोड को प्राथमिकता दी जाती है क्योंकि इसमें सबसे कम कटऑफ आवृत्ति होती है और इसे उत्तेजित करना सीधा होता है।
समाक्षीय या माइक्रोस्ट्रिप के बजाय वेवगाइड का उपयोग क्यों करें?
- बिजली संभालने की क्षमता (Power handling): एक तांबे का WR-90 निरंतर संचालन में कई किलोवाट औसत शक्ति को संभाल सकता है, जबकि उसी आवृत्ति पर समाक्षीय केबल कुछ सौ वाट तक सीमित हो सकता है।
- क्षति प्रदर्शन (Loss performance): 24 GHz पर, एक वेवगाइड में 0.15 dB/m क्षति हो सकती है, जबकि एक तुलनीय समाक्षीय केबल $>$1 dB/m खो सकता है।
- परिरक्षण (Shielding): वेवगाइड आमतौर पर 60–100 dB अलगाव के साथ प्राकृतिक विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (EMI) परिरक्षण प्रदान करते हैं, जिससे हस्तक्षेप कम होता है।
लेकिन कुछ कमियां भी हैं:
- वे बड़े और कठोर होते हैं – एक WR-90 वेवगाइड 22.86 मिमी चौड़ा होता है, जो उसी आवृत्ति के समाक्षीय केबल की तुलना में बड़ा होता है।
- वे निर्माण और स्थापित करने में अधिक महंगे हैं। एक सटीक एल्यूमीनियम WR-90 की कीमत $\approx$200–$300 प्रति मीटर हो सकती है, जबकि एक समाक्षीय केबल $50 प्रति मीटर हो सकता है।
- मोड रूपांतरण और क्षति से बचने के लिए मोड़ और घुमावों को सावधानीपूर्वक डिज़ाइन किया जाना चाहिए, जिसमें वक्रता त्रिज्या (curvature radius) कम से कम $2 \times$ वेवगाइड की चौड़ाई हो।
व्यवहार में, वेवगाइड रडार सिस्टम (जैसे, 9.3–9.5 GHz पर संचालित हवाई अड्डा रडार), उपग्रह संचार (जैसे, 12 GHz डाउनलिंक) और वैज्ञानिक उपकरणों जैसे उच्च-शक्ति, उच्च-आवृत्ति वाले अनुप्रयोगों के लिए आदर्श हैं। कम आवृत्तियों (3 GHz से नीचे) के लिए, छोटे आकार और लचीलेपन के कारण समाक्षीय केबल अक्सर अधिक व्यावहारिक होते हैं।
सामग्री और आकृतियों का चयन
अधिकांश उच्च-आवृत्ति वाले अनुप्रयोगों ($>$8 GHz) के लिए, प्रतिरोधक क्षति को कम करने के लिए आंतरिक सतह को बहुत चिकना होना चाहिए। केवल 0.1 µm RMS (रूट मीन स्क्वायर) की सतह खुरदरापन एक पूरी तरह से चिकनी दीवार की तुलना में 30 GHz पर क्षीणन को 15% तक बढ़ा सकता है।
तांबा अपनी उच्च चालकता (5.96$\times$10⁷ S/m) के कारण कई प्रणालियों के लिए सोने का मानक है, लेकिन यह भारी ($\approx$8.96 g/cm³) और महंगा ($\approx$9 डॉलर प्रति किलोग्राम) है। निश्चित जमीनी रडार के लिए, तांबा या पीतल (एक तांबा-जस्ता मिश्र धातु) आम है। एल्यूमीनियम (3.5$\times$10⁷ S/m) हल्का ($\approx$2.7 g/cm³) और सस्ता ($\approx$2.5 डॉलर प्रति किलोग्राम) है, जो इसे एयरोस्पेस में लोकप्रिय बनाता है, लेकिन इसे मशीनीकृत करना कठिन होता है और ऑक्सीकरण को रोकने और सतह चालकता बनाए रखने के लिए अक्सर चांदी या सोने की प्लेटिंग (2–5 µm मोटी) की आवश्यकता होती है।
चरम वातावरण के लिए, जैसे कि उपग्रह फीड में जो व्यापक तापमान परिवर्तन ($-150^{\circ}C$ से $+120^{\circ}C$) के संपर्क में आते हैं, इनवार (एक लोहा-निकल मिश्र धातु) का उपयोग इसके लगभग शून्य तापीय विस्तार गुणांक ($\approx$1.2$\times$10⁻⁶ /°C) के लिए किया जाता है, लेकिन इसमें चालकता कम ($\approx$1.67$\times$10⁶ S/m) होती है और यह महंगा ($\approx$$50 प्रति किलोग्राम) होता है।
| सामग्री | चालकता (S/m) | घनत्व (g/cm³) | सापेक्ष लागत | विशिष्ट उपयोग का मामला |
|---|---|---|---|---|
| तांबा (Copper) | 5.96$\times$10⁷ | 8.96 | 100% | उच्च-प्रदर्शन प्रयोगशाला प्रणाली, रडार |
| एल्यूमीनियम (Aluminum) | 3.5$\times$10⁷ | 2.7 | 30% | एयरोस्पेस, ड्रोन, मोबाइल सिस्टम |
| पीतल (Brass) | 1.5$\times$10⁷ | 8.4 | 60% | कम लागत वाले परीक्षण उपकरण |
| चांदी-प्लेटेड एल्यूमीनियम (Silver-plated Aluminum) | $\approx$5.8$\times$10⁷ | $\approx$2.7 | 150% | अंतरिक्ष-ग्रेड, उच्च-विश्वसनीयता प्रणाली |
आकृति भी उतनी ही महत्वपूर्ण है। आयताकार वेवगाइड सबसे आम है क्योंकि इसे बनाना आसान है और यह कुशल $TE_{10}$ मोड का समर्थन करता है। इसका चौड़ाई a और ऊंचाई b प्रमुख मोड के लिए a $\approx$ 2b का पालन करती है। उदाहरण के लिए, 7–10 GHz के लिए एक WR-112 में a=28.5 मिमी, b=12.6 मिमी होता है।
25 मिमी व्यास वाले एक गोलाकार गाइड में $TE_{11}$ मोड के लिए $\approx$7 GHz की कटऑफ होती है। हालांकि, वे मशीनीकृत करने के लिए $\approx$20% अधिक महंगे हैं और मानक घटकों के साथ इंटरफ़ेस करना कठिन है।
विशेषज्ञता वाले कम-क्षति वाले लंबी दूरी के लिंक (जैसे, 1 किमी दूर इमारतों के बीच) के लिए, दीर्घवृत्तीय वेवगाइड का उपयोग किया जाता है। वे लचीले होते हैं और कॉइल किए जा सकते हैं, जिसमें 10 GHz पर लगभग 0.03 dB/m की क्षति होती है, लेकिन इसकी कीमत $\approx$$400 प्रति मीटर होती है।
लक्षित आवृत्ति के लिए डिज़ाइन करना
उदाहरण के लिए, यदि आपके सिस्टम को 24.0 से 24.25 GHz (एक सामान्य ISM बैंड) तक संचालित करने की आवश्यकता है, तो आपके वेवगाइड की कटऑफ आपके न्यूनतम आवृत्ति से सुरक्षित रूप से नीचे होनी चाहिए। एक आयताकार गाइड में प्रमुख $TE_{10}$ मोड के लिए कटऑफ आवृत्ति ($f_c$) $f_c$ = c / (2a) है, जहां $c$ प्रकाश की गति (3$\times$10⁸ m/s) है और $a$ मीटर में चौड़ी आंतरिक दीवार की चौड़ाई है। तो 24 GHz केंद्र आवृत्ति के लिए, आप मोटे तौर पर 6.25 मिमी की चौड़ाई $a$ से शुरू करेंगे। लेकिन आप केंद्र के लिए डिज़ाइन नहीं करते हैं; आप किनारों के लिए डिज़ाइन करते हैं। अपने पूरे 250 MHz बैंडविड्थ में कम VSWR ($<$1.5:1) सुनिश्चित करने के लिए, आपको गाइड को मॉडल करना होगा ताकि इसका मौलिक मोड बैंड किनारे पर अचानक गिरावट से बचने के लिए लगभग 23.8 GHz से प्रचारित हो।
24 GHz के लिए, मानक WR-42 है, जिसके सटीक आंतरिक आयाम 10.668 मिमी ($a$) गुणा 4.318 मिमी ($b$) हैं। इसका उपयोग यह सुनिश्चित करता है कि आप आसानी से फ्लैंग्स और कनेक्टर स्रोत कर सकते हैं। इन मानकों से विचलित होने का मतलब है कस्टम मशीनिंग, जो लागत को 200-300% तक बढ़ा सकती है और अनपेक्षित प्रसार समस्याएं पैदा कर सकती है। ऊंचाई $b$ आमतौर पर $a$ की आधी होती है (b $\approx$ a/2), जो बिजली संभालने की क्षमता को अनुकूलित करता है और उच्च-क्रम मोड (higher-order modes) को उत्तेजित करने की संभावना को कम करता है। WR-42 के लिए, सैद्धांतिक कटऑफ 14.05 GHz है, जो लगभग 18 GHz से 26.5 GHz तक एक व्यापक परिचालन सीमा देता है।
एक साधारण आयताकार वेवगाइड एंटीना, जैसे कि एक विकीर्ण स्लॉट, की केंद्र आवृत्ति के आसपास केवल 3-5% की मूल प्रतिबाधा बैंडविड्थ हो सकती है। यदि आपको एक व्यापक बैंडविड्थ की आवश्यकता है, जैसे कि 10 GHz पर 10% (1 GHz चौड़ा), तो आपको पतला वेवगाइड (एक “हॉर्न”) या कई युग्मित स्लॉट्स जैसी तकनीकों का उपयोग करना होगा। 150 मिमी की लंबाई पर WR-90 से बड़े एपर्चर तक एक रैखिक पतलापन (taper) 1 dB से कम के लाभ भिन्नता के साथ 10% बैंडविड्थ प्राप्त कर सकता है। व्यापार-बंद आकार है: 10 GHz के लिए एक हॉर्न का एपर्चर 120 मिमी गुणा 90 मिमी हो सकता है और 250 मिमी लंबा हो सकता है।
30 GHz पर, मुक्त स्थान में तरंग दैर्ध्य 10 मिमी है, लेकिन एक WR-28 गाइड (7.112 मिमी $\times$ 3.556 मिमी) के अंदर, $TE_{10}$ मोड के लिए निर्देशित तरंग दैर्ध्य लगभग 13.5 मिमी लंबी होती है। यदि आप स्कैनिंग के लिए आधा-तरंग दैर्ध्य ($\approx$6.75 मिमी) पर दूरी वाले 16 तत्वों के साथ एक चरणबद्ध सरणी (phased array) डिज़ाइन कर रहे हैं, तो तत्वों के बीच फ़ीड पथ की लंबाई में 0.5 मिमी की गलत गणना $\approx$27 डिग्री की चरण त्रुटि (phase error) का परिचय देती है, जो बीम को विकृत कर सकती है और लाभ को 3 dB तक गिरा सकती है। यही कारण है कि सटीकता को माइक्रोमीटर (µm) में मापा जाता है; 20 GHz से ऊपर की आवृत्तियों के लिए सहनशीलता को $\pm$20 µm तक बनाए रखना चाहिए।
एंटीना प्रदर्शन का सिमुलेशन करना
आधुनिक 3D EM सिमुलेशन ही एकमात्र तरीका है जिससे वेवगाइड एंटीना के प्रदर्शन की मज़बूती से भविष्यवाणी की जा सकती है, जिससे आपको सप्ताह भर के निर्माण-परीक्षण-विफलता चक्रों और प्रोटोटाइप लागतों में हजारों डॉलर की बचत होती है। एक विशिष्ट वेवगाइड हॉर्न डिज़ाइन के लिए, एक एकल प्रोटोटाइप पुनरावृत्ति में $\approx$500–$2000 खर्च हो सकते हैं और मशीनीकृत और परीक्षण करने में 2-3 सप्ताह लग सकते हैं। एक अच्छी तरह से निष्पादित सिमुलेशन अभियान इसे 1-2 भौतिक पुनरावृत्तियों तक कम कर सकता है, जिससे विकास का समय 3 महीने से 5 सप्ताह तक कम हो जाता है।
वेवगाइड संरचनाओं के लिए, मोमेंट्स की विधि (Method of Moments – MoM) बाहरी विकिरण पैटर्न के लिए कुशल है, लेकिन जटिल आंतरिक फीड के साथ संघर्ष करती है। परिमित तत्व विधि (Finite Element Method – FEM) सॉल्वर जैसे HFSS सटीकता के लिए उद्योग मानक हैं, खासकर जटिल संक्रमणों के लिए। 24 GHz वेवगाइड स्लॉट सरणी के लिए एक विशिष्ट सिमुलेशन में क्षेत्रों को सटीक रूप से हल करने के लिए 5-10 मिलियन टेट्राहेड्रल तत्वों के साथ एक जाल की आवश्यकता हो सकती है। यह सिमुलेशन 32-कोर CPU और 128 GB RAM वाले वर्कस्टेशन पर 12-24 घंटे तक चल सकता है। सरल हॉर्न के लिए, परिमित अंतर समय डोमेन (Finite Difference Time Domain – FDTD) तेज हो सकता है, 2 GB RAM के साथ एक मॉडल को 2-4 घंटे में हल कर सकता है, लेकिन तेज किनारों के लिए यह कम सटीक हो सकता है।
| सिमुलेशन पैरामीटर | विशिष्ट मान / रेंज | परिणामों पर प्रभाव |
|---|---|---|
| तरंग दैर्ध्य प्रति जाली का आकार | 10-20 लाइनें (हवा में) | 15 लाइनें/$\lambda$ का एक जाली एक अच्छा समझौता देता है; 10 लाइनें/$\lambda$ तक गिरने से लाभ में $>$1 dB त्रुटि आ सकती है। |
| एस-पैरामीटर अभिसरण (Delta S) | $<$ 0.02 | एस-पैरामीटर 2% से कम बदलने तक पुनरावृत्ति चलाने से स्थिर परिणाम सुनिश्चित होते हैं। |
| विकिरण सीमा दूरी | संरचना से $\lambda$/4 से $\lambda$/2 | सीमा को बहुत करीब (जैसे, $\lambda$/10) रखने से दूर-क्षेत्र के लाभ में $>$3 dB त्रुटि हो सकती है। |
| पोर्ट परिभाषा सटीकता | वेवगाइड के लिए महत्वपूर्ण | एक अनुचित रूप से परिभाषित पोर्ट -15 dB रिटर्न लॉस दिखा सकता है, जबकि वास्तविक डिज़ाइन -5 dB है। |
सबसे महत्वपूर्ण सिमुलेशन आउटपुट एस-पैरामीटर मैट्रिक्स है, विशेष रूप से S11 (रिटर्न लॉस)। आप अपनी लक्ष्य बैंड में S11 $<$ -10 dB का लक्ष्य रख रहे हैं, जो 1.9:1 से बेहतर VSWR से मेल खाता है। 10 GHz वेवगाइड फीड के लिए, इसका मतलब है कि आपके सिमुलेशन को उस स्तर पर 9.5 से 10.5 GHz तक बैंडविड्थ दिखाना होगा। इनपुट और विकीर्ण एपर्चर के बीच सम्मिलन क्षति (insertion loss – S21) 0.3 dB से कम होनी चाहिए; कोई भी अधिक होने पर आप गर्मी के रूप में बहुत अधिक शक्ति खो रहे हैं।
प्रो टिप: हमेशा फ्लैंज मॉडल को शामिल करके सिमुलेट करें। एक आम गलती केवल एंटीना बॉडी का सिमुलेशन करना है। एक मानक UG-599/U फ्लैंज की उपस्थिति 10 GHz पर इनपुट मैच को 5-10 MHz तक डिट्यून कर सकती है, जो आपके प्रदर्शन को बर्बाद करने के लिए पर्याप्त है यदि आप एक संकीर्ण बैंड पर काम कर रहे हैं।
3D विकिरण पैटर्न लाभ, साइडलोब और बीमविड्थ दिखाता है। 18 GHz पर एक लाभ-मानक हॉर्न के लिए, आप मुख्य बीम से 15 dB नीचे साइडलोब के साथ 20 dBi का चरम लाभ (peak gain) की उम्मीद करते हैं। आधा-शक्ति बीमविड्थ (HPBW) ई-प्लेन में 10 डिग्री और एच-प्लेन में 12 डिग्री हो सकता है। यदि आपका सिमुलेशन ई और एच-प्लेन पैटर्न में 2 dB विषमता दिखाता है, तो आपके पास संभवतः उच्च-क्रम मोड मौजूद है।
एक प्रोटोटाइप मॉडल का निर्माण
लक्ष्य एक एकल कार्यात्मक इकाई का निर्माण करना है जो आपके डिज़ाइन को मान्य करता है, आमतौर पर $\approx$500 से $3000 खर्च होता है और मशीनिंग और असेंबली के लिए 5 से 15 व्यावसायिक दिन लगते हैं। पहला कदम आपके सिमुलेटेड मॉडल को विनिर्माण योग्य ड्राइंग में परिवर्तित करना है। एक मानक WR-90 एल्यूमीनियम वेवगाइड के लिए, प्रतिबाधा बेमेल को रोकने के लिए आंतरिक आयामों को $\pm$0.05 मिमी तक बनाए रखना चाहिए; चौड़ी दीवार की चौड़ाई में केवल 0.1 मिमी का विचलन कटऑफ आवृत्ति को $\approx$1% तक स्थानांतरित कर सकता है और बैंड किनारों पर VSWR को 0.3 तक बढ़ा सकता है।
दो फ्लैंग्स के साथ 150 मिमी लंबी एक एल्यूमीनियम WR-90 अनुभाग के लिए, 5-अक्ष मिल पर मशीनिंग में लगभग 3-4 घंटे लगते हैं, जिसकी लागत $\approx$200–$400 होती है। सतह खत्म महत्वपूर्ण है: चालक क्षति को कम करने के लिए आपको $<$ 0.4 µm Ra की खुरदरापन की आवश्यकता होती है। यदि मिल्ड सतह बहुत खुरदरी है ($>$ 0.8 µm Ra), तो 10 GHz पर क्षीणन 12% तक बढ़ सकता है। तांबे के लिए, इलेक्ट्रोफॉर्मिंग एक विकल्प है – प्लेटिंग स्नान में परत दर परत भाग का निर्माण करना। यह एक चिकनी फिनिश ($\approx$0.2 µm Ra) प्राप्त कर सकता है, लेकिन इसमें 2-3 दिन लगते हैं और इसकी लागत 50% अधिक होती है।
| विनिर्माण विधि | विशिष्ट सहनशीलता ($\pm$) | सतह खुरदरापन (Ra) | लीड टाइम | WR-90 (150 मिमी) के लिए लागत |
|---|---|---|---|---|
| सीएनसी मिलिंग (एल्यूमीनियम) | 0.05 मिमी | 0.3 – 0.5 µm | 5 दिन | $300 |
| सीएनसी मिलिंग (तांबा) | 0.04 मिमी | 0.4 – 0.6 µm | 7 दिन | $550 |
| इलेक्ट्रोफॉर्मिंग (तांबा) | 0.02 मिमी | 0.1 – 0.3 µm | 10 दिन | $800 |
| एक्सट्रूज़न (एल्यूमीनियम, उच्च मात्रा के लिए) | 0.10 मिमी | 0.8 – 1.2 µm | 30 दिन (टूलिंग के लिए) | $50 (1000 पीसी पर प्रति यूनिट) |
WR-90 के लिए मानक UG-599/U फ्लैंग्स का उपयोग करें; वे प्रति कनेक्शन $<$ 0.1 dB सम्मिलन क्षति के साथ एक रिसाव-तंग कनेक्शन सुनिश्चित करते हैं। एक घर का बना या खराब मशीनीकृत फ्लैंज 0.5 dB क्षति और 30 डिग्री चरण अस्थिरता (phase instability) पेश कर सकता है। प्रत्येक सटीक फ्लैंज प्रोटोटाइप लागत में $\approx$50–$100 जोड़ता है। फीड संक्रमण के लिए, यदि आप एक समाक्षीय-से-वेवगाइड एडाप्टर को एकीकृत कर रहे हैं, तो उच्च-तापमान मिश्र धातु के साथ केंद्र पिन को सोल्डर करें और पिन की लंबाई को सिमुलेटेड मान के $\pm$0.1 मिमी के भीतर रखें; यहां 0.2 मिमी की त्रुटि आपके रिटर्न लॉस को बर्बाद कर सकती है, इसे -20 dB से -8 dB तक ले जा सकती है।
बोल्ट लगाने से पहले फ्लैंज को वेवगाइड सेंटरलाइन के 0.05 मिमी के भीतर रखने के लिए संरेखण पिन का उपयोग करें। चार फ्लैंज बोल्ट को एक क्रॉस पैटर्न में 8-10 in-lbs तक टॉर्क करें; 15 in-lbs तक अधिक टॉर्क करने से फ्लैंज विकृत हो सकता है, जिससे एक अंतर बन सकता है जो ऊर्जा लीक करता है और 0.2 dB क्षति का कारण बनता है। हॉर्न एंटीना के लिए, यदि प्रोटोटाइप दो हिस्सों में बनाया गया है, तो चांदी के कणों (वजन के हिसाब से 80%) से भरे प्रवाहकीय एपॉक्सी के साथ सीम को सील करें। एक खराब सील एक स्लॉट एंटीना के रूप में कार्य करती है, 10 GHz पर आपकी 5% शक्ति को विकीर्ण करती है और साइडलोब को 3 dB तक बढ़ाती है।
परीक्षण और परिणामों का मापन
इस चरण में आमतौर पर प्रयोगशाला उपकरणों में $\approx$10,000 से $50,000 और प्रति प्रोटोटाइप 1-3 दिन का सावधानीपूर्वक माप समय लगता है। पहला कदम वेक्टर नेटवर्क एनालाइज़र (VNA) अंशांकन (calibration) है। एक 2-पोर्ट अंशांकन किट (जैसे, 3.5 मिमी) का उपयोग करें और उस तल पर अंशांकन करें जहां आपका समाक्षीय केबल वेवगाइड संक्रमण से जुड़ता है। अंशांकन के बाद किसी भी केबल की गति से चरण त्रुटि (phase error) आती है; 1 मीटर लंबे RF केबल में 1 सेमी मोड़ 20 GHz पर S11 चरण को 5 डिग्री तक स्थानांतरित कर सकता है, जिससे रिटर्न लॉस माप अविश्वसनीय हो जाते हैं। गति और शोर तल (-100 dBm) के बीच एक अच्छे संतुलन के लिए अपने VNA को 1 kHz की IF बैंडविड्थ के साथ अपने लक्ष्य बैंड (जैसे, 23.5 से 24.5 GHz) में 1001 बिंदुओं को स्वीप करने के लिए सेट करें।
मापने के लिए प्रमुख प्रदर्शन मेट्रिक्स:
- रिटर्न लॉस (S11): आपका डिज़ाइन लक्ष्य संभवतः $<$ -10 dB (VSWR $<$ 1.9:1) है। अपने पूरे बैंड में मापें। एक विशिष्ट अच्छा परिणाम केंद्र आवृत्ति पर एक -15 dB न्यूनतम दिखाता है, जो बैंड किनारों पर -12 dB तक बढ़ जाता है। 24.1 GHz पर -7 dB तक अचानक गिरावट एक अनुनाद (resonance) को इंगित करती है, अक्सर मशीनिंग बर्र या अपूर्ण फ्लैंज कनेक्शन से।
- सम्मिलन क्षति (Insertion Loss – S21): एक निष्क्रिय एंटीना के लिए, यह इनपुट पोर्ट से विकीर्ण तरंग तक की क्षति है। एक ज्ञात मानक की तुलना में एंटीना के माध्यम से संचरण की तुलना करके मापें। 10 GHz पर एक अच्छी तरह से बना 20 सेमी लंबा WR-90 वेवगाइड में $<$ 0.2 dB क्षति होनी चाहिए। यदि आप 0.5 dB मापते हैं, तो सतह खुरदरापन या फ्लैंग्स में अंतराल की जांच करें।
- लाभ (Gain): एक गूंज मुक्त कक्ष (anechoic chamber) में एक मानक लाभ हॉर्न के साथ लाभ तुलना विधि का उपयोग करके मापें। 10 GHz पर, सुदूर-क्षेत्र की स्थिति सुनिश्चित करने के लिए एंटीना और संदर्भ हॉर्न को ट्रांसमीटर से 5 मीटर दूर रखें ($D > 2D^2/\lambda \approx$15 सेमी एंटीना के लिए 6.7 मीटर)। आपका प्रोटोटाइप 18.5 dBi का अनुकरण कर सकता है, लेकिन अपूर्णताओं के कारण 17.8 dBi मापता है – एक 0.7 dB अंतर पहले प्रोटोटाइप के लिए सामान्य और स्वीकार्य है।
- विकिरण पैटर्न (Radiation Pattern): एक स्थिति निर्धारक (positioner) पर एंटीना को घुमाएं और 1 डिग्री रिज़ॉल्यूशन के साथ ई-प्लेन और एच-प्लेन पैटर्न को मापें। एक दिशात्मक हॉर्न के लिए, 10-डिग्री आधा-शक्ति बीमविड्थ (HPBW) की उम्मीद करें। साइडलोब मुख्य बीम के सापेक्ष $<$ -15 dB होना चाहिए। -12 dB पर मापा गया एक साइडलोब एक एपर्चर क्षेत्र वितरण त्रुटि का सुझाव देता है, शायद एक गलत संरेखित फीड से।
$\pm$3°C के प्रयोगशाला तापमान में उतार-चढ़ाव एल्यूमीनियम वेवगाइड्स में तापीय विस्तार (thermal expansion) का कारण बनते हैं ($\alpha \approx$23 µm/m°C), जिससे प्रति डिग्री विद्युत लंबाई 0.007% तक बदल जाती है। 5 GHz बैंडविड्थ पर, यह अनुनाद आवृत्तियों को 3.5 MHz तक स्थानांतरित कर सकता है, जो संकीर्ण बैंड सिस्टम के लिए महत्वपूर्ण है। हमेशा एक तापमान-नियंत्रित प्रयोगशाला ($23^{\circ}C \pm 1^{\circ}C$) में मापें और संभालने के बाद प्रोटोटाइप को 30 मिनट के लिए स्थिर होने दें।
