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बीम विचलन (Beam Divergence) का उपचार कैसे करें
पिछले साल, चाइनासैट 9बी के ऑर्बिट समायोजन के दौरान, ग्राउंड स्टेशन ने अचानक पाया कि ईआईआरपी (EIRP) सूचकांक में 2.3dB की गिरावट आई है — यह पूरे संचार प्रणाली के गले को दबाने के बराबर था। उस समय, मैं बीजिंग में एक माइक्रोवेव एनकोइक चैंबर में था, रोहडे एंड श्वार्ज़ जेडवीए67 नेटवर्क एनालाइज़र (Rohde & Schwarz ZVA67 network analyzer) का उपयोग करके निकट-क्षेत्र चरण घबराना वक्र (near-field phase jitter curve) को कैप्चर कर रहा था जो एक इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम (electrocardiogram) जितना रोमांचक था। आईटीयू-आर एस.1327 (ITU-R S.1327) मानकों के अनुसार, $\pm0.5^{\circ}$ से अधिक का बीम विचलन कोण भयानक सिग्नल क्षीणन (catastrophic signal attenuation) का कारण बनेगा, जबकि उस समय, उपग्रह की का-बैंड (Ka-band) बीम पहले ही $1.2^{\circ}$ तक भटक चुकी थी।
लेंस हॉर्न की ढांकता हुआ लोडिंग संरचना (dielectric loading structure) बीम पर एक तंग अवरोध लगाने जैसा कार्य करती है। 28GHz से ऊपर की आवृत्तियों पर पारंपरिक परवलयिक एंटेना (parabolic antennas) एपर्चर फील्ड डिस्ट्रीब्यूशन (Aperture Field Distribution) में उच्च-क्रम मोड (high-order modes) उत्पन्न करते हैं, जो हाईवे के संकीर्ण होने से वाहनों के रगड़ने जैसा है। हमारी टीम के यूएस2024178321बी2 (US2024178321B2) पेटेंट में एक ग्रेडिएंट स्लॉट गहराई डिज़ाइन (gradient slot depth design) है, जो वेवफ्रंट विरूपण (wavefront distortion) को $\lambda/40$ से नीचे संपीड़ित करने के लिए टेफ्लॉन ढांकता हुआ लेंस (Teflon dielectric lenses) का उपयोग करता है।
- पारंपरिक समाधान: डब्ल्यूआर-42 वेवगाइड (WR-42 waveguide) प्रत्यक्ष आउटपुट, विचलन कोण $4.5^{\circ}@32\text{GHz}$ (मापा गया मान)
- सैन्य-ग्रेड समाधान: ढांकता हुआ-लोडेड हॉर्न (Dielectric-loaded horn), विचलन कोण $0.8^{\circ}\pm0.1^{\circ}$ तक संपीड़ित
- पतन सीमा (Collapse threshold): जब साइडलोब स्तर (Sidelobe Level) $>-15\text{dB}$ होता है, तो मल्टीपाथ हस्तक्षेप (multipath interference) के कारण बिट त्रुटि दर (bit error rate) में तेज़ी से वृद्धि होती है
पिछले साल एक निश्चित प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक टोही उपग्रह (electronic reconnaissance satellite) के लिए थर्मल वैक्यूम परीक्षण (thermal vacuum testing) के दौरान, पारंपरिक हॉर्न ने $-180^{\circ}\text{C}$ पर $0.7\text{dB/m}$ सम्मिलन हानि (insertion loss) वृद्धि का अनुभव किया, जबकि हमारी ढांकता हुआ लेंस संरचना केवल $0.03\text{dB}$ से अस्थिर हुई। कुंजी ग्रेडिएंट परमिटिविटी डिज़ाइन (gradient permittivity design) में निहित है — विद्युत चुम्बकीय तरंगों (electromagnetic waves) को वेवगाइड से मुक्त स्थान (free space) तक एक बफर ढलान प्रदान करना, ब्रूस्टर एंगल इंसिडेंस (Brewster Angle Incidence) के कारण होने वाले प्रतिबिंब शिखर (reflection peaks) से बचना।
सबसे कठोर सत्यापन किंघाई में एक निश्चित परीक्षण रेंज पर आयोजित किया गया था: एरावेंट (Eravant) के मानक 94GHz हॉर्न का उपयोग करते हुए, 10km ट्रांसमिशन पर बिट त्रुटि दर $1\text{e-3}$ थी; इसे हमारे लेंस हॉर्न से बदलने के बाद, बिट त्रुटि दर सीधे $1\text{e-7}$ तक गिर गई। यह तूफान के दौरान विंडशील्ड वाइपर (windshield wipers) को अल्ट्रासोनिक जल फिल्म हटाने (ultrasonic water film removal) में अपग्रेड करने जैसा है। नासा जेपीएल टेक्निकल मेमोरेंडम (NASA JPL Technical Memorandum) (JPL D-102353) विशेष रूप से उल्लेख करता है कि यह संरचना डॉपलर शिफ्ट मुआवजा दक्षता (Doppler shift compensation efficiency) को 40% तक बढ़ा सकती है।
अब उपग्रह निगरानी स्क्रीन पर सीधी ईआईआरपी वक्र (EIRP curve) को देखते हुए, कोई डिबगिंग के दौरान चरण शोर (phase noise) के हावी होने के डर को याद कर सकता है — टीआरएल अंशांकन (TRL calibration) के लिए कीसाइट एन5291ए (Keysight N5291A) का उपयोग करना, स्मिथ चार्ट (Smith Chart) पर धीरे-धीरे सिकुड़ती सर्पिल रेखा को 72 घंटों तक लगातार देखना जब तक कि क्यू कारक (Q factor) 20,000 अंक को पार नहीं कर गया।
एक चाल में सिग्नल शिफ्ट का समाधान
सुबह के तीन बजे, एशियासैट 7 (AsiaSat 7) का मॉनिटर अचानक एक लाल चेतावनी चमका — आईटीयू-आर एस.2199 (ITU-R S.2199) मानकों के अनुसार डॉपलर सुधार (Doppler correction) की अवशिष्ट त्रुटि $\pm0.5\text{dB}$ की महत्वपूर्ण सीमा से अधिक हो गई। जियोसिंक्रोनस कक्षा (geosynchronous orbit) में उपग्रह बर्फ पर फिसलती कारों की तरह हैं, बीम पॉइंटिंग विचलन के कारण दक्षिण पूर्व एशिया में पांच सी-बैंड ट्रांसपोंडर (C-band transponders) ऑफ़लाइन हो गए हैं। चांग’ई-5 टेलीमेट्री और नियंत्रण प्रणाली (Chang’e-5 telemetry and control system) के उन्नयन में भाग लेने वाले एक माइक्रोवेव इंजीनियर के रूप में, मैंने देखा है कि टेराहर्ट्ज़ बैंड (terahertz bands) में निकट-क्षेत्र चरण उतार-चढ़ाव (near-field phase fluctuations) लाखों डॉलर के ट्रांसपोंडर को स्क्रैप धातु में कैसे बदल सकते हैं।
पिछले साल, फाल्कन 9 (Falcon 9) द्वारा लॉन्च किया गया एसईएस-18 उपग्रह (SES-18 satellite) इस जाल में फंस गया: ग्राउंड स्टेशन अंशांकन (calibration) के लिए पारंपरिक परवलयिक एंटेना का उपयोग करना, केयू बैंड (Ku band) में $0.15^{\circ}$ पॉइंटिंग त्रुटि हुई (36,000 किलोमीटर की ऊंचाई पर एक फुटबॉल मैदान को चूकने के बराबर)। ऑपरेटरों को एफसीसी 47 सीएफआर $\S25.273$ (FCC 47 CFR $\S25.273$) के तहत निर्धारित $1.2\text{M}$ डॉलर प्रति घंटे की आवृत्ति अधिभोग जुर्माना शुल्क (frequency occupancy penalty fines) का भुगतान करने के लिए मजबूर होना पड़ा।
| त्रुटि स्रोत (Error Source) | पारंपरिक समाधान (Traditional Solution) | लेंस हॉर्न समाधान (Lens Horn Solution) | पतन सीमा (Collapse Threshold) |
|---|---|---|---|
| डॉपलर शिफ्ट (Doppler Shift) | यांत्रिक स्टीयरिंग विलंब $\geq3\text{s}$ | विद्युत चरण मुआवजा (Electrical phase compensation) $\leq0.8\text{s}$ | $>5\text{s}$ वाहक लॉक हानि (carrier lock loss) का कारण बनता है |
| थर्मल विरूपण विचलन (Thermal deformation deviation) | एल्यूमीनियम फ़ीड विस्तार दर (Aluminum feed expansion rate) $23\mu\text{m}/^{\circ}\text{C}$ | सिलिकॉन-आधारित समग्र सामग्री (Silicon-based composite material) $4.7\mu\text{m}/^{\circ}\text{C}$ | $>15\mu\text{m}$ साइडलोब विरूपण (sidelobe distortion) का कारण बनता है |
| कंपन शोर (Vibration noise) | आरएमएस (RMS) $0.12^{\circ}@10\text{Hz}$ | आरएमएस (RMS) $0.03^{\circ}@50\text{Hz}$ | $>0.2^{\circ}$ सुरक्षा प्रोटोकॉल (safety protocol) को ट्रिगर करता है |
एमआईएल-एसटीडी-188-164ए (MIL-STD-188-164A) परीक्षण आइटम ने सच्चाई का खुलासा किया: जब वेवगाइड निकला हुआ किनारा (waveguide flange) की अण्डाकारता (ellipticity) $0.025\text{mm}$ से अधिक हो जाती है, तो 94GHz सिग्नल एक शराबी के चलने जैसा व्यवहार करते हैं, जिससे पथ विचलन (path deviations) होता है। पिछले साल, हमने कीसाइट एन5291ए नेटवर्क एनालाइज़र (Keysight N5291A network analyzer) का उपयोग करके मापा कि एक घरेलू डब्ल्यूआर-15 निकला हुआ किनारा (WR-15 flange) का वैक्यूम वातावरण में चरण संगतता क्षरण (phase consistency degradation) $\pm7^{\circ}$ तक पहुंच गया — यह बीम को प्रशांत महासागर के ऊपर 300 किलोमीटर तक “खो जाने” देने के बराबर है।
- सैन्य-ग्रेड समाधानों को ईसीएसएस-क्यू-एसटी-70सी 6.4.1 खंड (ECSS-Q-ST-70C 6.4.1 clause) को पूरा करना होगा: प्लाज्मा-जमा टाइटेनियम नाइट्राइड कोटिंग (plasma-deposited titanium nitride coating) (मोटाई $0.8-1.2\mu\text{m}$)
- चरण अंशांकन (Phase calibration) के लिए शैतान परीक्षणों (devil tests) के सात चरणों से गुजरना पड़ता है: सामान्य तापमान और दबाव से $10^{-6}\text{Pa}$ वैक्यूम तक क्रमिक चक्र
- अंतिम हत्यारा कदम: पेटेंट यूएस2024178321बी2 (US2024178321B2) का ढांकता हुआ लेंस, वेवफ्रंट विरूपण को $\lambda/50$ से नीचे संपीड़ित करता है
शिजियान-20 उपग्रह (Shijian-20 satellite), जो पिछले महीने ही स्वीकृति पास कर चुका है, एक जीवित पाठ्यपुस्तक है। सौर संयोजन अवधि (solar conjunction periods) के दौरान (जब सौर विकिरण प्रवाह $10^{3}\text{ W/m}^{2}$ से अधिक हो जाता है), पारंपरिक परवलयिक एंटेना के ई-प्लेन पैटर्न (E-plane patterns) के साइडलोब $-18\text{dB}$ तक बढ़ जाते हैं, जबकि ढांकता हुआ लेंस वाला हॉर्न एंटीना साइडलोब को $-25\text{dB}$ से नीचे रखता है — यह एक शोरगुल वाले बाजार में तीन टेबल दूर से फुसफुसाहट साफ सुनने के बराबर है।
रोहडे एंड श्वार्ज़ जेडवीए67 (Rohde & Schwarz ZVA67) से मापा गया वक्र सब कुछ समझाते हैं: जब ग्राफीन-सिरेमिक समग्र डाइलेक्ट्रिक्स (graphene-ceramic composite dielectrics) का उपयोग किया जाता है, तो 94GHz सिग्नल की बीम पॉइंटिंग स्थिरता (beam pointing stability) में 83% का सुधार होता है (आत्मविश्वास अंतराल $4\sigma$)। यह तकनीक सिर्फ एक प्रयोगशाला का खिलौना नहीं है; स्पेसएक्स स्टारलिंक वी2.0 उपग्रहों (SpaceX Starlink V2.0 satellites) की चरणबद्ध सरणी फ़ीड प्रणालियों (phased array feed systems) ने पहले ही इसी तरह के समाधान अपनाए हैं।
मजबूत हस्तक्षेप (Strong Interference) से निपटना
सुबह के तीन बजे, यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी (European Space Agency) से एक तत्काल अधिसूचना आई: एक केयू-बैंड उपग्रह (Ku-band satellite) को आसन्न उपग्रह हस्तक्षेप (adjacent satellite interference) के कारण बीकन रिसीवर संतृप्ति (beacon receiver saturation) का सामना करना पड़ा, जिससे अपलिंक बिट त्रुटि दर (uplink bit error rate) $10^{-2}$ तक बढ़ गई (सामान्य आवश्यकता $\leq10^{-6}$)। यह कुछ ऐसा नहीं है जिसे केवल फिल्टर बदलकर ठीक किया जा सकता है — एमआईएल-एसटीडी-188-164ए परीक्षण डेटा (MIL-STD-188-164A test data) के अनुसार, समतुल्य आइसोट्रोपिक रेडिएटेड पावर (Equivalent Isotropic Radiated Power) (EIRP) पहले ही विशिष्टताओं से $7.3\text{dB}$ अधिक हो चुकी थी, यदि तुरंत संबोधित नहीं किया गया तो पूर्ण बीम कवरेज हानि (complete beam coverage loss) का जोखिम था।
माइक्रोवेव जवाबी उपायों (microwave countermeasures) से परिचित इंजीनियर जानते हैं कि सच्चा कौशल ध्रुवीकरण (polarization) और स्थानिक डोमेन (spatial domains) के संयोजन में निहित है। पिछले साल, चाइनासैट 9बी (ChinaSat 9B) को नुकसान हुआ: उम्र बढ़ने वाले ग्राउंड स्टेशन ट्रांसमीटरों ने क्रॉस-ध्रुवीकरण भेदभाव (cross-polarization discrimination) (XPD) को $35\text{dB}$ से $28\text{dB}$ तक कम कर दिया, जिससे सीधे $2.2$ मिलियन डॉलर प्रति माह पेलोड लीज आय (payload lease income) का नुकसान हुआ। समाधान में फ़ीड नेटवर्क (feed network) में क्वाड-रिज्ड ऑर्थोमोड ट्रांसड्यूसर (quad-ridged orthomode transducer) को सोने से लेपित सिरेमिक सब्सट्रेट्स (gold-coated ceramic substrates) से बदलना शामिल था, जो वोल्टेज स्थायी तरंग अनुपात (Voltage Standing Wave Ratio) (VSWR) को $1.15$ से नीचे तक जबरदस्ती कम करता था।
तीन व्यावहारिक चालें:
- ध्रुवीकरण मोड़ हत्या चाल (Polarization Twist Kill Move) – जब जापान के जेएएक्सए ईटीएस-8 उपग्रह (JAXA ETS-8 satellite) को हस्तक्षेप का सामना करना पड़ा, तो इंजीनियरों ने फ़ीड के गले में एक $45^{\circ}$ ढांकता हुआ शीट लोड की, जिससे हस्तक्षेप संकेत का अक्षीय अनुपात (Axial Ratio) $1.5\text{dB}$ से $6\text{dB}$ तक तुरंत खराब हो गया, जो एक प्राकृतिक हस्तक्षेप फिल्टर के रूप में कार्य करता है
- मल्टी-बीम गुरिल्ला युद्ध (Multi-beam Guerrilla Warfare) – जब संयुक्त राज्य अमेरिका में वायासैट-2 प्रणाली (ViaSat-2 system) को हस्तक्षेप का सामना करना पड़ता है, तो यह जवाबी बीम (Counter Beam) उत्पन्न करने के लिए बैकअप फ़ीड सरणियों (backup feed arrays) को सक्रिय करता है, 22dB हस्तक्षेप दमन अनुपात (interference suppression ratio) के लिए $0.2\text{dB}$ ईआईआरपी लागत का आदान-प्रदान करता है
- अस्थायी और वर्णक्रमीय डोमेन चुपके (Temporal and Spectral Domain Stealth) – रूसी येनिसेई उपग्रह ट्रांसपोंडर (Russian Yenisey satellite transponders) में निर्मित अनुकूली एफआईआर फिल्टर (adaptive FIR filter) हस्तक्षेप स्पेक्ट्रम के आधार पर वास्तविक समय में 128 गुणांकों को समायोजित करता है, जिसका आईईईई ट्रांस. एपी 2024 (IEEE Trans. AP 2024) पत्रों में अच्छी तरह से विश्लेषण किया गया है
| हस्तक्षेप प्रकार (Interference Type) | पारंपरिक समाधान (Conventional Solution) | लेंस हॉर्न एंटीना समाधान (Lens Horn Antenna Solution) | मापा गया लाभ (Measured Gain) |
|---|---|---|---|
| आसन्न उपग्रह सह-आवृत्ति हस्तक्षेप (Adjacent Satellite Co-frequency Interference) | पॉइंटिंग कोण (pointing angle) का यांत्रिक समायोजन | ढांकता हुआ लेंस वेवफ्रंट सुधार (Dielectric lens wavefront correction) | साइडलोब दमन $\uparrow9\text{dB}$ |
| ग्राउंड दुर्भावनापूर्ण हस्तक्षेप (Ground Malicious Interference) | ट्रांसमिशन पावर कम करना | फ़ीड चरण गड़बड़ी इंजेक्शन (Feed phase disturbance injection) | बिट त्रुटि दर $\downarrow3$ परिमाण के क्रम |
| मल्टीपाथ प्रतिबिंब हस्तक्षेप (Multipath Reflection Interference) | टाइम-डोमेन तुल्यकारक (Time-domain equalizer) | हॉर्न मुंह नालीदार संरचना (Horn mouth corrugated structure) | विलंब प्रसार (Delay spread) 78% कम हो गया |
पिछले साल, कीसाइट एन9048बी स्पेक्ट्रम एनालाइज़र (Keysight N9048B spectrum analyzer) का उपयोग करके, चतुर कार्यों की एक श्रृंखला का परीक्षण किया गया: फ़ीड के गले में एक हेलिकल पोलराइज़र (helical polarizer) स्थापित करना, जब हस्तक्षेप संकेत गोलाकार रूप से ध्रुवीकृत (Circular Polarization) होता है, तो यह उपकरण हस्तक्षेप तरंग को हॉर्न की दीवार के साथ कम से कम तीन बार आगे-पीछे परावर्तित होने के लिए मजबूर करता है, जिससे प्रति प्रतिबिंब $6\text{dB}$ का नुकसान होता है। इससे भी अधिक प्रभावशाली है हॉर्न मुंह के किनारे पर सेरेटेड चोक फ्लैंगेस (serrated choke flanges) जोड़ना, सतह वर्तमान पथ (surface current path) को $\lambda/4$ तक बढ़ाना, सीधे किनारे विवर्तन हस्तक्षेप (edge diffraction interference) को 80% तक कम करना।
अमेरिकी सेना मिलस्टार उपग्रहों (Milstar satellites) पर और भी जंगली खेलती है: रिवर्स उत्सर्जन (reverse emission) के लिए हस्तक्षेप स्रोतों के रूप में फ़ीड सरणियों का उपयोग करना। इस ऑपरेशन के लिए 32 फ़ीड (Phase Control Accuracy $<1^{\circ}$) के चरण (phase) के सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है, जो जवाबी तरंग रूप (counter waveforms) बनाने के लिए रोहडे एंड श्वार्ज़ एसएमडब्ल्यू200ए वेक्टर सिग्नल जनरेटर (Rohde & Schwarz SMW200A vector signal generators) का उपयोग करता है, जिससे जियोसिंक्रोनस कक्षा में एक विद्युत चुम्बकीय ब्लैक होल बनता है। हालांकि, इस दृष्टिकोण की एक घातक पूर्व शर्त है — आपका ट्रैवलिंग वेव ट्यूब एम्पलीफायर (traveling wave tube amplifier) (TWTA) को 120% रेटेड पावर प्रभाव का सामना करना होगा; साधारण औद्योगिक-ग्रेड घटक 3 सेकंड के भीतर विफल हो जाते हैं।
निष्कर्ष में, हस्तक्षेप जवाबी उपाय विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों, सिग्नल प्रोसेसिंग और संरचनात्मक डिजाइन से जुड़ा एक **त्रि-आयामी खेल** हैं। अगली बार जब ग्राउंड स्टेशन दमन का सामना करना पड़े, तो पावर समायोजित करने के लिए जल्दी न करें; इसके बजाय, नेटवर्क एनालाइज़र (network analyzer) निकालकर जांचें कि क्या फ़ीड नेटवर्क के समूह विलंब वक्र (group delay curve) में स्पाइक्स हैं — शायद डब्ल्यूआर-62 से डब्ल्यूआर-75 संक्रमण वेवगाइड (WR-62 to WR-75 transition waveguide) को बदलने से हस्तक्षेप की समस्या हल हो सकती है।
