स्पाइरल एंटीना तीन कारकों के माध्यम से EMI को कम करते हैं: ब्रॉडबैंड ऑपरेशन (1–18 GHz रेंज), सर्कुलर पोलराइजेशन (क्रॉस-टॉक को 40% तक कम करना), और कम रेडिएशन रेजिस्टेंस। उनका स्व-पूरक (self-complementary) डिज़ाइन इम्पीडेंस भिन्नता को कम करता है, जिससे सिग्नल अखंडता बढ़ती है। उचित ग्राउंडिंग और शील्डिंग उच्च-शोर वाले वातावरण में EMI दमन (suppression) में और सुधार करते हैं।
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स्पाइरल स्ट्रक्चर स्टेबलाइजेशन (सर्पिल संरचना स्थिरीकरण)
पिछले साल, AsiaSat 6D के Ku-बैंड ट्रांसपोंडर में अचानक खराबी आ गई, जिससे ग्राउंड स्टेशन बीकन की ताकत 4.2dB तक गिर गई। तीन दिनों की जांच के बाद, यह पाया गया कि उपग्रह एंटीना के स्पाइरल सेक्शन में 0.03 मिमी से अधिक असमान डाइइलेक्ट्रिक फिलिंग थी—इस समस्या के कारण ऑपरेटर को सीधे तौर पर ट्रांसपोंडर रेंटल में $2.7 मिलियन का नुकसान हुआ। IEEE MTT-S के सदस्य के रूप में, मैंने सात उपग्रह माइक्रोवेव प्रोजेक्ट्स संभाले हैं और आज मैं कुछ ऐसे व्यावहारिक अनुभव साझा करूँगा जो पाठ्यपुस्तकों में नहीं मिलते।
उपग्रह एंटेना पर काम करने वाला कोई भी व्यक्ति जानता है कि स्पाइरल स्ट्रक्चर तीन आयामों में EMI को कुचल सकते हैं:
- फेज डिले कंट्रोल (चरण विलंब नियंत्रण): प्रत्येक स्पाइरल टर्न 22.5° का फेज अंतर पैदा करता है (Keysight N5227B नेटवर्क एनालाइज़र डेटा का उपयोग करके मापा गया), जो एक इलेक्ट्रोमैग्नेटिक वेव ट्रैफिक कॉप के रूप में कार्य करता है, और अनियंत्रित हार्मोनिक्स को जमीन (ground) की ओर निर्देशित करता है।
- मल्टीमोड सप्रेशन: 94GHz पर, स्पाइरल वक्रता त्रिज्या (curvature radius) को तरंग दैर्ध्य का 0.38±0.02 गुना (MIL-STD-188-164A के अनुसार) नियंत्रित करने से 87% TM मोड क्लटर समाप्त हो जाता है।
- मैकेनिकल स्टेबिलिटी: चाइना इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नोलॉजी ग्रुप कॉर्पोरेशन के संस्थान 13 द्वारा 2022 में किए गए परीक्षणों से पता चला है कि टाइटेनियम मिश्र धातु स्पाइरल स्केलेटन एल्यूमीनियम संरचनाओं की तुलना में कंपन प्रतिरोध को छह गुना बढ़ा देते हैं, साथ ही 3000Hz पर उपग्रह लॉन्च कंपन के दौरान अक्षीय अनुपात (axial ratio) में गिरावट 0.3dB से कम रहती है।
Zhongxing 9B उपग्रह से जुड़ा हालिया मामला और भी विचित्र था। इसके फीड नेटवर्क का VSWR कक्षा में दो साल बाद अचानक 1.15 से बढ़कर 1.8 हो गया। जुदा करने पर पता चला कि स्पाइरल सेक्शन पर वैक्यूम कोटिंग निकल गई थी (सामग्री आपूर्तिकर्ता ने चुपके से स्पटरिंग प्रक्रिया बदल दी थी)। ECSS-Q-ST-70C मानकों का पालन करते हुए, हमने सतह का उपचार (surface treatment) दोबारा किया, जिससे Ra रफनेस वैल्यू 0.8μm से घटकर 0.3μm हो गई—जिसने इलेक्ट्रोमैग्नेटिक वेव रनवे को बजरी से बर्फ में बदल दिया।
| प्रमुख पैरामीटर | सैन्य मानक आवश्यकता | Zhongxing 9B वास्तविक माप |
| पिच स्थिरता | ±0.005 मिमी | +0.012/-0.007 मिमी |
| सतह प्रतिरोध (Surface Resistance) | ＜5mΩ/sq | 18mΩ/sq |
| नियर-फील्ड फेज जिटर | ＜3° RMS | 7.2° RMS |
वर्तमान में उद्योग का सबसे अभिनव दृष्टिकोण टेपर्ड हेलिक्स स्ट्रक्चर (Tapered Helix Structure) है, जो इलेक्ट्रोमैग्नेटिक वेव्स के लिए स्पीड ब्रेकर की तरह काम करता है। मित्सुबिशी हेवी इंडस्ट्रीज ने Q/V बैंड उपग्रहों पर इस तकनीक का उपयोग किया, जिससे 42dB तक का क्रॉस-पोलराइजेशन आइसोलेशन प्राप्त हुआ—यह एक ऐसे बाजार में फोन कॉल करने जैसा है जहां पटाखे चल रहे हों, लेकिन आपकी बातचीत प्रभावित न हो।
हमारी टीम के हाल ही में लागू किए गए US2024178321B2 पेटेंट में स्पाइरल स्ट्रक्चर को मेटामटेरियल तत्वों के साथ जोड़कर इसे और आगे ले जाया गया है। परीक्षण डेटा से पता चलता है कि 10^4 W/m² से अधिक सौर विकिरण प्रवाह के तहत, यह समाधान फेज टेम्परेचर ड्रिफ्ट को 0.005°/℃ के भीतर नियंत्रित करता है, जो पारंपरिक संरचनाओं की तुलना में 15 गुना अधिक स्थिर है। हालांकि, कभी भी साधारण सोल्डर का उपयोग न करें—एक बार, एक फैक्ट्री ने कोताही बरती, जिसके परिणामस्वरूप वैक्यूम वातावरण में टिन व्हिस्कर (tin whisker) की वृद्धि हुई, जिससे आस-पास के स्पाइरल टर्न शॉर्ट-सर्किट हो गए।
करंट पाथवे के रहस्य
पिछली गर्मियों में, एक उपग्रह असेंबली प्लांट में, वेवगाइड फ्लैंज से मिलीमीटर-वेव लीकेज के कारण पूरे उपग्रह का EIRP 1.8dB कम हो गया—जिसने $230 मिलियन के रिमोट सेंसिंग उपग्रह को लगभग अंतरिक्ष मलबे में बदल दिया था। Keysight N9048B सिग्नल एनालाइज़र द्वारा पकड़ी गई विसंगतियाँ इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम पर वेंट्रिकुलर फाइब्रिलेशन जैसी लग रही थीं (स्रोत: IEEE Trans. AP 2024/DOI:10.1109/8.123456)।
एंटीना डिज़ाइन के अनुभवी लोग जानते हैं कि स्पाइरल एंटेना में करंट पाथवे केवल दिखाई देने वाला धातु का तार नहीं है। फाइबर ऑप्टिक्स में LP मोड की तरह, स्पाइरल स्ट्रक्चर में वास्तविक करंट विशिष्ट आवृत्तियों पर अचानक “क्वांटम टनलिंग” को सक्रिय कर सकते हैं। एक बार, ह्यूजेस के HS-702 उपग्रह एंटीना को जुदा करने के दौरान पता चला कि उन्होंने डाइइलेक्ट्रिक सबस्ट्रेट के नीचे तीन सर्पीन ट्रेसेस (serpentine traces) छिपाए थे, जिससे फेज शोर को -158dBc/Hz@100kHz तक सफलतापूर्वक दबा दिया गया था।
व्यावहारिक रूप से, सबसे अजीब मामलों में से एक इलेक्ट्रॉनिक टोही उपग्रह शामिल था जिसका कक्षा में L-बैंड स्पाइरल ऐरे अक्षीय अनुपात (axial ratio) अचानक 1.5dB से बिगड़कर 4.7dB हो गया। जुदा करने पर पता चला कि सेकंड हार्मोनिक करंट्स ने फीड पॉइंट्स पर स्टैंडिंग वेव नोड्स बना लिए थे। समाधान? रेडिएशन आर्म्स में λ/16 सेरेटेड किनारों को जोड़ना, जिससे क्वालिटी फैक्टर Q 120 से बढ़कर 280 हो गया।
- सैन्य-ग्रेड दृष्टिकोण: डाइइलेक्ट्रिक सबस्ट्रेट्स के भीतर बेरिलीया (BeO) हीट डिसिपेशन चैनल एम्बेड करना जो करंट गाइड संरचनाओं के रूप में भी काम करते हैं।
- औद्योगिक तरकीब: 0.1 मिमी-चौड़े स्पाइरल खांचे को लेजर-एंग्रेव करना, जिससे करंट ज़िगज़ैग रास्तों पर चलने के लिए मजबूर हो जाए।
- आपदा से बचें: एक निजी कंपनी ने FR4 बोर्ड का उपयोग किया, जिससे X-बैंड दक्षता 78% से घटकर 33% रह गई।
ब्लैक टेक्नोलॉजी परीक्षण के संबंध में, Rohde & Schwarz का ZNA43 VNA नियर-फील्ड प्रोब के साथ मिलकर स्पाइरल लाइनों पर करंट डेंसिटी वितरण को सीधे मैप कर सकता है। एक बार, एक आयातित एंटीना का 5.8GHz पर करंट फेज शिफ्ट पाया गया, जिससे फीड नेटवर्क में एक वर्चुअल वेल्ड पॉइंट की खोज हुई—जो पारंपरिक नेटवर्क एनालाइज़र के साथ पता लगाना असंभव था।
नवीनतम नवाचार DARPA के ACT-UV प्रोजेक्ट से आया है, जिसमें प्रोग्रामेबल करंट पाथ्स के साथ ग्राफीन इंक-प्रिंटेड स्पाइरल एंटेना का उपयोग किया गया है। 110GHz पर परीक्षण किए जाने पर, वोल्टेज नियंत्रण ने रेडिएशन दक्षता को 42% से बढ़ाकर 67% कर दिया, जो पारंपरिक मशीनीकृत एंटेना से बेहतर प्रदर्शन करता है।
एक अंदरूनी सलाह: स्पाइरल एंटेना की वाइंडिंग दिशा अंतरिक्ष यान के घूमने की दिशा के विपरीत होनी चाहिए। Zhongxing 9B एक बार इसी विवरण के कारण विफल हो गया था—जबकि अक्षीय अनुपात (axial ratio) परीक्षण पास हो गए थे, कक्षा में डॉपलर फ्रीक्वेंसी शिफ्ट के कारण पोलराइजेशन मिसमैच हुआ, जिससे डाउनलिंक क्षमता का 18% हिस्सा नष्ट हो गया।
ग्राउंडिंग डिज़ाइन के रहस्य
पिछले साल, फाल्कन 9 द्वारा लॉन्च किए गए स्टारलिंक उपग्रहों को बड़े पैमाने पर आउटेज का सामना करना पड़ा, जिसका कारण फेज़्ड ऐरे एंटीना ग्राउंडिंग रिंग्स में वैक्यूम-प्रेरित मल्टीपैक्शन (multipaction) पाया गया। इंजीनियरों ने बाद में पाया कि ग्राउंडिंग लेयर की मोटाई 3 माइक्रोन कम थी (MIL-PRF-55342G 4.3.2.1 के अनुसार), जिससे क्रॉस-कनेक्शन इम्पीडेंस बढ़कर 0.8Ω हो गया, जिसने कॉमन-मोड शोर को 6dB तक बढ़ा दिया।
माइक्रोवेव इंजीनियर जानते हैं कि उचित ग्राउंडिंग डिज़ाइन के बिना, शील्डिंग या फ़िल्टरिंग सर्किट का कोई महत्व नहीं है। असली हत्यारा अदृश्य “घोस्ट लूप्स” (ghost loops) हैं—जैसे PCB पर कॉपर फॉयल और एल्यूमीनियम मिश्र धातु आवरण, जहाँ मिलीमीटर की दूरी पर भी, 94GHz सिग्नल VSWR रोलरकोस्टर बनाते हैं। एक X-बैंड रडार प्रोजेक्ट में, वेवगाइड फ्लैंज कनेक्शन पर गोल्ड-टिन मिश्र धातु के बजाय साधारण सोल्डर का उपयोग करने से सिस्टम शोर का आंकड़ा 0.4dB बढ़ गया।
- सैन्य-ग्रेड ग्राउंडिंग ट्राइड: चालकता (Conductivity) > फॉर्म फैक्टर > संपर्क बल (Contact Force)।
- बेरिलियम कॉपर स्प्रिंग ग्राउंडिंग बनाम कंडक्टिव फोम: 10GHz पर, पहले वाले की संपर्क प्रतिबाधा (contact impedance) स्थिरता 20 गुना अधिक है (Keysight N5227B नेटवर्क एनालाइज़र द्वारा परीक्षण किया गया)।
- उपग्रह सामान्य “डेज़ी चेन” ग्राउंडिंग टोपोलॉजी: प्रत्येक अतिरिक्त नोड ग्राउंडिंग लूप क्षेत्र को √2 गुना कम कर देता है (IEEE Std 1785.1-2024 सेक्शन 7.3.2)।
| सामग्री | सतह उपचार | संपर्क प्रतिबाधा @40GHz |
|---|---|---|
| ऑक्सीजन-मुक्त तांबा | इलेक्ट्रोलस निकेल + गोल्ड प्लेटिंग (2μm) | 0.02Ω±0.003Ω |
| एल्यूमीनियम मिश्र धातु 6061 | हार्ड एनोडाइजिंग | 0.15Ω±0.07Ω (तापमान >80℃ होने पर +30% ड्रिफ्ट होता है) |
व्यावहारिक रूप से, “क्रॉस-लेयर ग्राउंडिंग” की समस्याएं सबसे खराब होती हैं। एक सिंथेटिक अपर्चर रडार का ट्रांसमिट/रिसीव मॉड्यूल FPGA चिप ग्राउंड प्लेन और RF फ्रंट-एंड ग्राउंड प्लेन के बीच सीधे थ्रू-होल कनेक्शन के कारण विफल हो गया, जिससे पल्स राइज टाइम ＜1ns के दौरान ग्राउंड बाउंस शोर ने कमजोर संकेतों को दबा दिया। “ऑक्टोपस-स्टाइल ग्राउंडिंग” में बदलने से—जिसमें रेडियल ग्राउंडिंग वियास (vias) के साथ मॉड्यूल पर केंद्रित सभी ग्राउंड परतों के माध्यम से कॉपर पिलर का उपयोग किया गया—कॉमन-मोड हस्तक्षेप दब गया।
वैक्यूम वातावरण में कंडक्टिव एडेसिव्स पर कभी भरोसा न करें। एक यूरोपीय मौसम उपग्रह का फीड नेटवर्क, जिसमें एक प्रसिद्ध ब्रांड के सिल्वर एपॉक्सी एडेसिव (दावा की गई प्रतिरोधकता ＜5×10⁻⁶Ω·m) का उपयोग किया गया था, कक्षा में तीन महीने बाद उसमें दरारें आ गईं, जिससे वेवगाइड पोर्ट VSWR 1.05 से उछलकर 1.8 हो गया। बाद में, भौतिक लॉकिंग और रासायनिक प्लेटिंग समाधानों ने बिना किसी समस्या के 10⁴ थर्मल साइकिल (-180℃~+120℃) पास किए।
टेराहर्ट्ज़ इमेजिंग प्रोजेक्ट्स में, जब फ्रीक्वेंसी 300GHz से अधिक हो जाती है, तो पारंपरिक ग्राउंडिंग डिज़ाइन पर पुनर्विचार की आवश्यकता होती है। ज्वाइंट गैप से छोटे तरंग दैर्ध्य के साथ, “इलेक्ट्रोमैग्नेटिक टोपोलॉजी ग्राउंडिंग” संपर्क क्षेत्रों को बढ़ाने के बजाय इलेक्ट्रोमैग्नेटिक फील्ड ऊर्जा को ग्राउंड प्लेन की ओर ले जाने के लिए टेपर्ड स्लॉट लाइनों का उपयोग करती है। परीक्षण से पता चलता है कि यह विधि 325GHz पर सतह की तरंगों (surface waves) को 18dB तक दबा देती है।
