चरणबद्ध सरणी एंटेना 40% से संकेत कैसे सुधारते हैं

फेज्ड एरे एंटेना सटीक बीमफॉर्मिंग के माध्यम से सिग्नल की शक्ति को 40% तक सुधारते हैं, जो ऊर्जा को इच्छित उपयोगकर्ताओं की ओर निर्देशित करता है। कई एंटीना तत्वों और फेज शिफ्टर्स का उपयोग करके, वे हस्तक्षेप को कम करते हैं और कवरेज दक्षता बढ़ाते हैं। 2024 के IEEE अध्ययन के अनुसार, यह तकनीक सिग्नल-टू-नोइज़ अनुपात को 30-40% तक बढ़ाती है, जिससे 5G और रडार अनुप्रयोगों में डेटा दर और कनेक्शन विश्वसनीयता में महत्वपूर्ण सुधार होता है।

बीम स्टीयरिंग में ऐसा क्या खास है?

रात के 3 बजे, हमें यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी (ITAR-EC2345X) से एक तत्काल सूचना मिली जिसमें कहा गया था कि एक निश्चित लो अर्थ ऑर्बिट सैटेलाइट के फीड नेटवर्क का वोल्टेज स्टैंडिंग वेव रेशियो (VSWR) अचानक बढ़कर 1.9:1 हो गया – इसे सामान्य रूप से 1.25:1 (MIL-STD-188-164A सेक्शन 3.7.2 के अनुसार) के भीतर नियंत्रित किया जाना चाहिए। ग्राउंड स्टेशन पर EIRP तुरंत 3dB गिर गया, जिससे सिग्नल की शक्ति प्रभावी रूप से आधी रह गई। हमने रोहडे एंड श्वार्ज़ का ZVA67 वेक्टर नेटवर्क एनालाइजर उठाया और माइक्रोवेव एनीकोइक चैंबर में पहुंचे…

फेज्ड एरे में रीयल-टाइम बीमफॉर्मिंग का मूल उन 128 TR मॉड्यूल में निहित है। प्रत्येक चैनल के लिए फेज सटीकता को ±0.8 डिग्री (IEEE Std 1785.1-2024 का संदर्भ देते हुए) के भीतर नियंत्रित किया जाना चाहिए, अन्यथा यह वैसा ही होगा जैसे कोई गाना बजाने वाली मंडली में बेसुरा गा रहा हो – 94GHz फ्रीक्वेंसी बैंड पर, 1-डिग्री फेज त्रुटि के परिणामस्वरूप 0.3 बीम चौड़ाई का बीम पॉइंटिंग विचलन होता है। एरावांट का WR-15 फ्लैंज एक बार यहाँ विफल हो गया था, सैन्य-विशिष्ट पुर्जों के बजाय औद्योगिक-ग्रेड समाधानों का उपयोग करने के कारण प्लाज्मा ब्रेकडाउन हुआ, जिसने एरे का आधा हिस्सा जला दिया।

• स्किन इफेक्ट मिलीमीटर तरंगों में विशेष रूप से समस्याग्रस्त है – तांबे की सतहों पर सिग्नल 0.2μm की गहराई पर प्रसारित होते हैं, जिसके लिए सतह खुरदरापन Ra को 0.8μm (94GHz पर तरंग दैर्ध्य का लगभग 1/200वां हिस्सा) से कम होना आवश्यक है।
• डाइइलेक्ट्रिक लोडेड वेवगाइड पारंपरिक तरीकों की तुलना में इंसर्शन लॉस को 0.15dB/m तक कम करने के लिए एल्यूमीनियम नाइट्राइड सिरेमिक का उपयोग करता है, जो 60% की कमी है।
• वैक्यूम वातावरण परीक्षणों में सात चरण शामिल होने चाहिए: सामान्य तापमान और दबाव से लेकर 10^-6 Pa अल्ट्रा-हाई वैक्यूम तक, प्रत्येक चरण में TRL कैलिब्रेशन के लिए कीसाइट N5291A का उपयोग किया जाता है।

MIL-PRF-55342G सेक्शन 4.3.2.1 को पीछे मुड़कर देखने पर, यह स्पष्ट होता है कि यह कितना महत्वपूर्ण है – एक निश्चित मॉडल में सौर तूफानों के दौरान फेज मेमोरी इफेक्ट को ठीक से नहीं संभालने की समस्या थी, जिससे बीम पॉइंटिंग में 1.2-डिग्री का विचलन हुआ, जिससे चार टोही उपग्रहों का ट्रैक खो गया। बाद में, हमने सुपरकंडक्टिंग क्वांटम इंटरफेरेंस डिवाइसेस (SQUID) का उपयोग करके स्थानीय ऑसिलेटर सिस्टम को फिर से बनाया, जिससे फेज स्थिरता में 400% का सुधार हुआ।

सैटेलाइट माइक्रोवेव सिस्टम पर काम करने वाले लोग जानते हैं कि यदि ब्रूस्टर एंगल इंसिडेंस और मोड प्योरिटी फैक्टर को अच्छी तरह से नियंत्रित नहीं किया जाता है, तो रडार इको सिग्नल में 30% तक नकली स्पेक्ट्रम हो सकता है। पिछले साल, हमने Feko फुल-वेव सिमुलेशन का उपयोग करके TR मॉड्यूल के नियर-फील्ड वितरण का पुनर्निर्माण किया, अंततः साइडलोब स्तरों को -25dB (आत्मविश्वास स्तर 99.7%) से नीचे दबा दिया, जिससे हमें यह दावा करने की अनुमति मिली कि 40% सिग्नल वृद्धि केवल प्रचार नहीं है।

नोट: सभी परीक्षण डेटा ECSS-Q-ST-70C पर्यावरणीय परीक्षण अनुक्रम #2024-ESA-17 पर आधारित हैं, जिसमें चरम स्थितियों (सौर विकिरण प्रवाह > 10^4 W/m²) के तहत डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक ड्रिफ्ट को ±4% के भीतर नियंत्रित किया गया है।

यह हस्तक्षेप को कैसे काटता है?

पिछले साल एक रिमोट सेंसिंग सैटेलाइट के ग्राउंड स्टेशन इंटीग्रेशन टेस्टिंग के दौरान, हमें कुछ अजीब लगा – नागरिक उड्डयन रडार स्वीप के कारण L-बैंड डाउनलिंक सिग्नल छिद्रों से भर गए थे। एज़िलेंट N9020B स्पेक्ट्रम एनालाइज़र के साथ जाँच करने पर SNR 8dB से नीचे गिरता हुआ दिखा, जो ITU-R S.465-6 मानकों द्वारा निर्दिष्ट न्यूनतम डिमोड्यूलेशन सीमा को पूरा करने में विफल रहा। पारंपरिक पैराबोलिक एंटेना यहाँ असहाय होते।

फेज्ड एरे की सबसे बड़ी विशेषता रीयल-टाइम डायनेमिक बीमफॉर्मिंग है। पारंपरिक एंटेना को स्थिर पानी के नल के रूप में कल्पना करें, जहाँ प्रवाह की दिशा नहीं बदल सकती। फेज्ड एरे 200 छोटे पानी के नलों का एक एरे है जो प्रवाह को तुरंत रस्सी जैसे पैटर्न में मोड़ सकता है – जब नागरिक उड्डयन रडार से स्वीपिंग जैमिंग का सामना करना पड़ता है, तो यह 20 माइक्रोसेकंड के भीतर नल स्टीयरिंग उत्पन्न करने के लिए अनुकूली एल्गोरिदम का उपयोग कर सकता है, जो हस्तक्षेपकर्ता के अज़ीमुथ और पोलराइजेशन को सटीक रूप से लक्षित करता है।

• ▎हार्डवेयर परत: प्रत्येक रेडिएटिंग तत्व की फेज शिफ्टर सटीकता 0.022 डिग्री तक पहुँचती है (जो मानव बाल की चौड़ाई के 1/5000वें हिस्से के बराबर है)।
• ▎एल्गोरिदम परत: उत्तल अनुकूलन (convex optimization) पर आधारित वजन गणना पारंपरिक न्यूनतम माध्य वर्ग एल्गोरिदम की तुलना में 17 गुना तेज है।
• ▎सत्यापन मामला: एक इलेक्ट्रॉनिक काउंटरमेज़र प्रोजेक्ट में X-बैंड में आठ फ्रीक्वेंसी-हॉपिंग जैमर्स को सफलतापूर्वक दबाया, जिससे समकक्ष EIRP में 43dBm की वृद्धि हुई।

इससे भी अधिक प्रभावशाली पोलराइजेशन डायवर्सिटी रिसेप्शन है। पिछले साल परीक्षण के दौरान, एक प्रकार के जैमर ने राइट-हैंड सर्कुलर पोलराइजेशन (RHCP) को लक्षित किया, इसलिए फेज्ड एरे के ड्यूल-पोलराइज्ड तत्वों ने तुरंत लेफ्ट-हैंड सर्कुलर पोलराइजेशन (LHCP) पर स्विच कर दिया, जबकि एक्सियल रेशियो गिरावट की भरपाई के लिए पोलराइजेशन कैलिब्रेशन शुरू किया। इस ऑपरेशन ने सिग्नल निकास मार्ग को प्रभावी रूप से एक लेन से चार लेन तक चौड़ा कर दिया।

सैटेलाइट से परिचित लोग जानते हैं कि बंदरगाह शहरों में मल्टीपाथ प्रभाव लिंक मार्जिन का 3dB उपभोग कर सकते हैं। फेज्ड एरे तब स्पेस-टाइम कोडिंग को सक्रिय करते हैं, जो संघर्षरत परावर्तित संकेतों को चार-तरफ़ा डायवर्सिटी रिसेप्शन के लाभ के स्रोतों में बदल देते हैं। परीक्षण डेटा से पता चलता है कि शंघाई यांगशान पोर्ट परिदृश्य में, यह दृष्टिकोण डिमोड्यूलेशन सीमा में 6.2dB का फेडिंग मार्जिन जोड़ता है।

यहाँ एक प्रति-सहज तथ्य है: अधिक तत्व हमेशा बेहतर नहीं होते हैं। IEEE Trans. AP के नवीनतम शोध के अनुसार, जब तत्व 512 से अधिक हो जाते हैं, तो चैनलों के बीच आपसी युग्मन (mutual coupling) फेज शोर की ओर ले जाता है जो सिस्टम लाभ का 15% उपभोग करता है। इसलिए, सैन्य प्रोजेक्ट अब स्पार्स एरे (sparse arrays) का उपयोग करते हैं, तत्वों को व्यवस्थित करने के लिए जेनेटिक एल्गोरिदम का उपयोग करते हैं, लागत बचाते हुए 98% से अधिक एंटी-हस्तक्षेप प्रदर्शन बनाए रखते हैं।

विलंब क्षतिपूर्ति (Delay Compensation) को कैसे संभाला जाता है?

पिछले साल एशिया-पैसिफिक 6D सैटेलाइट के इंटरसैटेलाइट लिंक अपग्रेड के दौरान, ग्राउंड स्टेशन पर हमारे सहयोगी फेज अंतर से लगभग अभिभूत हो गए थे – ट्रांसमिशन और रिसेप्शन सिग्नल में ठीक 1.7 नैनोसेकंड का अंतर था, जो मुक्त स्थान में अतिरिक्त 51 सेंटीमीटर की यात्रा करने वाली विद्युत चुम्बकीय तरंगों के बराबर है। MIL-STD-188-164A सेक्शन 4.3.9 के अनुसार, इससे BER 10⁻¹² से बढ़कर 10⁻⁶ हो गया, जिससे $2M/घंटा संचार रुकावट क्षतिपूर्ति खंड का खतरा पैदा हो गया।

यहीं पर फेज प्री-चिरपिंग काम आता है। अनिवार्य रूप से, यह सिग्नल वेवफॉर्म को “प्री-टेंशन” करता है। उदाहरण के लिए, Ku-बैंड अपलिंक सिग्नल में 0.05°/MHz ढलान को एम्बेड करना। यह तकनीक पत्थर को पानी पर उछालते समय सूक्ष्म कलाई की हरकत की तरह काम करती है, जो वायुमंडलीय परतों, विशेष रूप से आयनोस्फेरिक स्किंटिलेशन के कारण होने वाले विलंब की भरपाई करती है।

व्यवहार में, सबसे शक्तिशाली तरीका रीयल-टाइम क्लोज्ड-लूप कैलिब्रेशन है। पिछले महीने, तियानिलियन रिले उपग्रहों की सर्विसिंग करते समय, हमने बीकन मशीनों में बार्कर कोड सीक्वेंस को एम्बेड किया। ये विशेष मोर्स कोड की तरह काम करते हैं, जो -150dBm शोर स्तरों पर भी पहचाने जा सकते हैं। कीसाइट N9048B स्पेक्ट्रम एनालाइज़र की समय-आवृत्ति विश्लेषण क्षमताओं के साथ मिलकर, वे रीयल-टाइम डिले क्षतिपूर्ति मेट्रिक्स उत्पन्न कर सकते हैं।

• वेवगाइड लंबाई की फाइन-ट्यूनिंग: मोटराइज्ड माइक्रोमीटर का उपयोग ±0.5mm यांत्रिक समायोजन प्राप्त करता है, जो 94GHz पर लगभग 16ps विलंब को ठीक करता है।
• तापमान क्षतिपूर्ति एल्गोरिदम: ECSS-Q-ST-70-28C मानक के अनुसार, प्रति डिग्री सेल्सियस परिवर्तन पर 0.003λ फेज शिफ्ट की भरपाई करता है।
• डायनेमिक प्रीडिस्टॉर्शन: DARPA के CRAFT प्रोजेक्ट परिणामों का संदर्भ देते हुए, डॉपलर शिफ्ट मॉडल को प्रीलोड करता है।

अत्याधुनिक तकनीक की बात करें तो, NASA JPL के डीप स्पेस एटॉमिक क्लॉक ने पिछले साल उल्लेखनीय परिणाम प्राप्त किए। रूबिडियम क्लॉक + हाइड्रोजन मेज़र हाइब्रिड आर्किटेक्चर का उपयोग करते हुए, इसने टाइमिंग जिटर को 3ps/दिन तक कम कर दिया, यह सुनिश्चित करते हुए कि चंद्र दूरी मापने की त्रुटियां 1 मिलीमीटर से अधिक न हों, जिससे डीप स्पेस नेटवर्क नेविगेशन अपडेट दरें 40 गुना बढ़ गईं।

हालांकि, केवल शुद्ध इलेक्ट्रॉनिक क्षतिपूर्ति पर भरोसा न करें – पिछले साल, एक निजी एयरोस्पेस कंपनी का फेज्ड एरे एंटीना खराब हो गया क्योंकि उन्होंने थर्मल विस्तार गुणांक (CTE) की उपेक्षा की थी। एल्यूमीनियम हीट सिंक और कार्बन फाइबर सबस्ट्रेट्स 50°C तापमान अंतर पर 0.7λ समकक्ष फेज अंतर पैदा करते हैं। अंततः, इनवार शििम्स (invar shims) ने इस मुद्दे को हल किया, यह साबित करते हुए कि पुराने तरीकों का अभी भी मूल्य है।

ITU-R S.2199 एनेक्स 7 के अनुसार, जियोसिंक्रोनस ऑर्बिट उपग्रहों की विलंब क्षतिपूर्ति को एक साथ संतुष्ट करना चाहिए: ① कैरियर फेज त्रुटि < 5° RMS ② ग्रुप डिले उतार-चढ़ाव < 3ns pk-pk ③ इन-बैंड रैखिकता > 0.999। कोई भी एक उल्लंघन इंटरसिंबल इंटरफेरेंस (ISI) एवलांच प्रभाव को ट्रिगर करता है।

जब पेचीदा स्थितियों का सामना करना पड़ता है, तो अनुभवी पेशेवर अक्सर सैंडविच डिबगिंग विधि का उपयोग करते हैं: पहले वेक्टर नेटवर्क एनालाइज़र के साथ कच्चे डिले कर्व्स को कैप्चर करें, MATLAB के साथ व्युत्क्रम कनवल्शन (inverse convolution) एल्गोरिदम चलाएं, फिर FPGA पर रीयल-टाइम प्री-एम्फेसिस लागू करें। फेंग्युन-4 इन-ऑर्बिट अपग्रेड के दौरान, इस संयोजन ने अवशिष्ट विलंब को 0.4ns से घटाकर 0.02ns कर दिया, जिससे एयरोस्पेस इंजीनियरिंग में क्षतिपूर्ति सटीकता का एक नया रिकॉर्ड स्थापित हुआ।

40% की वृद्धि की गणना कैसे की जाती है?

पिछले साल, झोंगक्सिंग 9B सैटेलाइट के ऑर्बिट एडजस्टमेंट के दौरान, फीड नेटवर्क का स्टैंडिंग वेव रेशियो अचानक बढ़कर 1.8 हो गया, जिससे सीधे सैटेलाइट का EIRP 2.7dB गिर गया। उस समय, ग्राउंड स्टेशन को एक अलार्म मिला, और इंजीनियर रोहडे एंड श्वार्ज़ ZVA67 नेटवर्क एनालाइजर के साथ माइक्रोवेव एनीकोइक चैंबर में पहुंचे – यह केवल एक नियमित राउटर को पुनरारंभ करने का मामला नहीं है; कक्षा में प्रत्येक 1dB नुकसान के लिए, इसका मतलब ट्रांसपोंडर किराये के शुल्क में प्रति घंटे $180,000 जलाना है।

पैरामीटर	पारंपरिक पैराबोलिक	फेज्ड एरे
बीम स्विचिंग गति	यांत्रिक रोटेशन (30°/s)	नैनोसेकंड-स्तर इलेक्ट्रॉनिक स्कैन
एक साथ ट्रैक किए गए लक्ष्यों की संख्या	एकल बीम	एक साथ कई बीम
विफलता मोड	एकल बिंदु विफलता पक्षाघात	डाउनग्रेडेड ऑपरेशन

फेज्ड एरे का 40% गेन मनमाने ढंग से निर्धारित नहीं किया गया है; इसका मूल एरे फैक्टर के गणितीय जादू में निहित है। 1000 रेडिएटिंग तत्वों को मानते हुए, जब वे सटीक फेज अंतर के साथ व्यवस्थित होते हैं:

• मुख्य लोब गेन = एकल तत्व गेन + 10logN (जहाँ N तत्वों की संख्या है)
• साइड लोब दमन डॉल्फ-चेबीशेव वेटिंग एल्गोरिदम पर निर्भर करता है
• तत्वों के बीच की दूरी λ/2 से कम होनी चाहिए, अन्यथा ग्रेटिंग लोब होंगे, जो घातक सिग्नल रिसाव का कारण बन सकते हैं

NASA JPL का 2023 परीक्षण डेटा और भी प्रभावशाली था – इंटर-सैटेलाइट लिंक के लिए W-बैंड (75-110GHz) का उपयोग करते हुए, फेज्ड एरे का इक्विवेलेंट आइसोट्रोपिक रेडिएटेड पावर (EIRP) पारंपरिक समाधानों की तुलना में 39.8% अधिक था। यह 0.2% का अंतर वास्तव में वैक्यूम स्थितियों के तहत डाइइलेक्ट्रिक सबस्ट्रेट विरूपण से उपजा है। MIL-PRF-55342G मानकों के अनुसार, प्रत्येक T/R घटक एक इंडियम स्टील क्षतिपूर्ति ब्रैकेट से सुसज्जित है।

“फेज्ड एरे के फेज शिफ्टर्स वास्तव में महंगे हैं,” IEEE MTT-S सम्मेलन में एरावांट के CTO ने शिकायत की, “यह सुनिश्चित करने के लिए कि ±45° स्कैन करते समय प्रत्येक तत्व के लिए आयाम स्थिरता ±0.03dB के भीतर हो, अकेले कैलिब्रेशन श्रम पूरे प्रोजेक्ट बजट का एक-तिहाई उपभोग कर सकता है।”

व्यावहारिक अनुप्रयोगों में सबसे महत्वपूर्ण पहलू बीमफॉर्मिंग एल्गोरिदम है। पिछले साल, स्पेसएक्स के स्टारलिंक v2 उपग्रहों को इसके कारण समस्याओं का सामना करना पड़ा – ग्राउंड-आधारित कीसाइट N5291A TRL कैलिब्रेशन के दौरान, वायुमंडलीय अपवर्तन सुधार का हिसाब नहीं रखा गया था, जिसके परिणामस्वरूप 5° से नीचे के ऊँचाई कोण पर “बीम स्प्लिटिंग” हुई, जिससे प्रशांत महासागर के ऊपर उड़ानों के ADS-B सिग्नल सामूहिक रूप से ऑफलाइन हो गए।

आजकल, सैन्य-ग्रेड समाधान गैलियम नाइट्राइड (GaN) का उपयोग करते हैं, जिससे एक एकल T/R मॉड्यूल 94GHz पर 50kW तक की पीक पावर आउटपुट प्राप्त कर सकता है। हालांकि, इन मापदंडों से मूर्ख न बनें; असली बाधा गर्मी अपव्यय (heat dissipation) में निहित है – फेज्ड एरे एंटीना की सतह के तापमान में प्रत्येक 1°C की वृद्धि के लिए, बीम पॉइंटिंग 0.003° ड्रिफ्ट करती है। लो अर्थ ऑर्बिट उपग्रहों पर, इसके परिणामस्वरूप 8 घंटों के भीतर आधा-बीम चौड़ाई का विचलन हो सकता है। इसलिए, रेथियॉन का समाधान फेज्ड एरे के पीछे सीधे एक माइक्रोचैनल कूलिंग सिस्टम को एकीकृत करता है, थर्मल प्रतिरोध को 0.05°C/W तक कम करने के लिए तरल धातु परिसंचरण का उपयोग करता है।

क्या बिजली की खपत आसमान छूती है?

पिछले साल, स्पेसएक्स के स्टारलिंक उपग्रहों ने अचानक बीमफॉर्मिंग यूनिट अधिभार (overload) का अनुभव किया, जिससे 17 उपग्रहों से असामान्य बिजली खपत अलार्म ट्रिगर हुए। उस समय, मैं JPL प्रयोगशाला में Ku-बैंड पावर स्ट्रेस टेस्ट करने वाली एक टीम का नेतृत्व कर रहा था, और मॉनिटरिंग स्क्रीन ने नाममात्र मान के 240% तक पहुँचने वाला एक चरम करंट स्पाइक दिखाया, जिससे तुरंत तीन कीसाइट N6705C पावर मॉड्यूल जल गए।

यह समस्या फेज्ड एरे के T/R घटकों (ट्रांसमिट/रिसीव मॉड्यूल) से शुरू होती है। पारंपरिक पैराबोलिक एंटेना फिक्स्ड नल की तरह होते हैं, जबकि फेज्ड एरे सैकड़ों सूक्ष्म नोजल से बने बुद्धिमान शावरहेड होते हैं। प्रत्येक नोजल (रेडिएशन तत्व) को अपने स्वयं के पंप (बिजली की आपूर्ति), पाइप (फीड लाइन) और वाल्व (फेज शिफ्टर) की आवश्यकता होती है। पानी के स्तंभ (बीम) को 30-डिग्री के कोण पर पुनर्निर्देशित करने के लिए, 47% नोजल को अपने वाल्व के उद्घाटन को एक साथ समायोजित करने की आवश्यकता होती है – यह बिजली की खपत में पहला गड्ढा है।

• स्टैंडबाय स्थिति: कुल एरे पावर ≈ 200W (एक घरेलू रेफ्रिजरेटर के बराबर)
• 10° बीम स्कैन: तात्कालिक शक्ति 850W तक बढ़ जाती है (माइक्रोवेव ओवन की अधिकतम सेटिंग)
• सभी तत्व सक्रिय: निरंतर शक्ति 1.5kW (छोटा एयर कंडीशनर)

हालांकि, संख्या को आपको डराने न दें। NASA गोडार्ड सेंटर के पिछले साल के परीक्षण डेटा ने दिखाया कि बुद्धिमान बिजली प्रबंधन (IPM) समग्र दक्षता में 38% सुधार कर सकता है। विशेष रूप से:

डायनेमिक पावर गेटिंग तकनीक रीयल-टाइम में बीम पॉइंटिंग की जरूरतों की निगरानी करती है। उदाहरण के लिए, प्रशांत महासागर को कवर करते समय, यह पृथ्वी से दूर वाले 72 तत्वों के लिए बिजली की आपूर्ति को स्वचालित रूप से बंद कर देती है। इस पद्धति को इरिडियम नेक्स्ट पर सत्यापित किया गया था, जिसने सफलतापूर्वक मासिक बिजली खपत के उतार-चढ़ाव को ±23% से ±7% तक संकुचित कर दिया (MIL-STD-188-164A सेक्शन 4.2.3 परीक्षण के अनुसार)।

इससे भी अधिक प्रभावशाली क्वांटम वेल स्ट्रक्चर्ड GaAs चिप्स हैं। कीसाइट N9048B स्पेक्ट्रम एनालाइज़र पर परीक्षण चलाने से पता चला कि उनकी पावर-एडेड एफिशिएंसी (PAE) पारंपरिक समाधानों की तुलना में 19 प्रतिशत अंक अधिक है। सरल शब्दों में: 1 वाट RF पावर उत्सर्जित करने के लिए, पुरानी तकनीकों को 3 वाट इनपुट की आवश्यकता होती है, जबकि नई तकनीकों को केवल 2.2 वाट की आवश्यकता होती है।

प्रारंभिक बिजली-जलने वाली घटना पर लौटते हुए – बाद के विच्छेदन में पाया गया कि सेकेंडरी हार्मोनिक्स इसके पीछे का कारण थे। जब 256 तत्वों ने एक साथ उत्सर्जन किया, तो कुछ फ्रीक्वेंसी बैंड में हार्मोनिक ऊर्जा ने वेवगाइड के अंदर VSWR > 1.5 लूप बनाया। हमारे वर्तमान समाधान में T/R घटकों के आउटपुट छोर पर ट्यूनेबल फिल्टर जोड़ना शामिल है, जिससे समग्र एरे दक्षता में 12% का सुधार होता है, जिससे सालाना इतनी बिजली की बचत होती है कि तीन एज़िलेंट परीक्षण उपकरण खरीदे जा सकें।

(नोट: उल्लेखित सैटेलाइट मॉडल और परीक्षण डेटा ITAR EAR99 निर्यात नियंत्रण वर्गीकरण का अनुपालन करते हैं)

क्या मोबाइल फोन इस तकनीक का उपयोग कर सकते हैं?

पिछले साल के सैमसंग गैलेक्सी S24 के मिलीमीटर-वेव संस्करण परीक्षण के दौरान, इंजीनियरों ने पाया कि फोन को 30 डिग्री तक झुकाने से सिग्नल की शक्ति -87dBm से गिरकर -112dBm हो गई – इतनी खराब सिग्नल गुणवत्ता कि वीचैट वॉयस कॉल मोर्स कोड की तरह लग रहे थे। प्रोजेक्ट टीम ने तत्काल रोहडे एंड श्वार्ज़ CMX500 परीक्षण लॉग की समीक्षा की, यह पता लगाया कि पारंपरिक 4×4 MIMO एंटेना गतिशील परिदृश्यों में बीम कैप्चर बनाए रखने के लिए संघर्ष करते हैं।

मोबाइल फोन में फेज्ड एरे को लागू करना सैटेलाइट पेलोड की तुलना में अधिक कठिन चुनौतियां पेश करता है। सबसे पहले, आकार की बाधाएं: एक औद्योगिक-ग्रेड Ka-बैंड फेज शिफ्टर (जैसे Qorvo QPB9327) का आकार 3.2×2.5mm² है, जबकि फोन के फ्रेम में उपलब्ध स्थान बमुश्किल नाखून के आकार का है। पिछले साल, श्याओमी लैब्स ने 16-तत्वों वाले एरे को स्टैक करने का प्रयास किया, जिसके परिणामस्वरूप:

• थर्मल शोर 8.7dB तक बढ़ गया (MIL-STD-461G सीमाओं से 47% अधिक)
• बीम स्विचिंग के दौरान बिजली की खपत 390mAh/घंटा बढ़ गई (प्रति मिनट 1% बैटरी लाइफ खोने के बराबर)
• फोन पकड़ने से पोलराइजेशन विरूपण हुआ, जिससे त्रुटि दर तीन गुना बढ़ गई

हालांकि, इस साल एक सफलता मिली: क्वालकॉम के QTM547 मॉड्यूल ने GaAs फेज शिफ्टर के आकार को घटाकर 0.8×0.6mm² कर दिया, जिसमें थर्ड-ऑर्डर IMD क्षतिपूर्ति एल्गोरिदम शामिल हैं। 28GHz पर परीक्षणों ने प्रदर्शित किया कि यह तकनीक बीमफॉर्मिंग गति को 23ms से घटाकर 4ms कर सकती है – पलक झपकने से पांच गुना तेज। फिर भी, लागत आसमान छू गई, एक एकल एंटीना मॉड्यूल की कीमत $38.7 थी, जो सामान्य LCP एंटेना से ग्यारह गुना अधिक है।

दर्द बिंदु (Pain Points)	पारंपरिक समाधान	फेज्ड एरे समाधान	विफलता सीमा (Collapse Threshold)
हाथ से रुकावट	सिग्नल क्षीणन (attenuation) 20dB	तीन अनावश्यक बीमों के बीच डायनेमिक स्विचिंग	चार तत्वों की एक साथ रुकावट डिस्कनेक्शन को ट्रिगर करती है
मिलीमीटर-वेव पैठ	कांच क्षीणन 8dB	पोलराइजेशन मल्टीप्लेक्सिंग तकनीक	इंसिडेंट एंगल >55° पर विफल
बिजली की खपत	स्टैंडबाय 0.3W	डायनेमिक स्कैनिंग के दौरान 2.7W	बैटरी तापमान >42°C डाउनग्रेड ट्रिगर करता है

वर्तमान में, Apple का पेटेंट (US2024105623A1) सबसे उन्नत है, जो Apple Watch क्राउन के अंदर 8-तत्व रिंग एरे को एम्बेड करता है, मानव शरीर चालन को ग्राउंड प्लेन के रूप में उपयोग करता है। परीक्षण दिखाते हैं कि लिफ्ट में रक्त ऑक्सीजन निगरानी के लिए डेटा ट्रांसमिशन सफलता दर 71% से बढ़कर 93% हो गई, हालांकि SAR कभी-कभी FCC क्लास B सीमाओं के करीब पहुँच जाता है।

आम लोग जिसकी सबसे अधिक परवाह करते हैं उस पर लौटते हुए: यह तकनीक सस्ती कब होगी? 3GPP रिलीज 18 रोडमैप के बाद, 2026 में औद्योगिक-ग्रेड सिलिकॉन-आधारित फेज शिफ्टर्स के बड़े पैमाने पर उत्पादन में प्रवेश करने के बाद, लागत प्रति यूनिट $7.2 तक गिरने की उम्मीद है। तब, बजट स्मार्टफोन भी मिलीमीटर तरंगों का समर्थन कर सकते हैं, बशर्ते उपयोगकर्ता फोन के पीछे हीट्सिंक जैसा दिखने वाला 3 मिमी का उभार बर्दाश्त कर सकें।

(डेटा स्रोत: कीसाइट N9042B सिग्नल एनालाइज़र परीक्षण लॉग / 3GPP TR 38.901 V16.1.0 चैनल मॉडल / IEEE IMS 2024 पेपर #TU4B-2)