MMW एंटीना डिजाइन चुनौतियाँ | 7 समाधान

मिलीमीटर-वेव (mmWave) एंटीना डिज़ाइन को उच्च पथ हानि (28/60 GHz पर 60–100 dB/km) जैसी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, जिसे उच्च-लाभ वाले सरणियों (20–30 dBi) का उपयोग करके कम किया जाता है। सब्सट्रेट-एकीकृत वेवगाइड्स (SIW) के माध्यम से सतह तरंग हस्तक्षेप कम हो जाता है, जबकि पीसीबी सहनशीलता (±5µm) के लिए लेजर नक़्क़ाशी की आवश्यकता होती है।

बीम स्क्विंट को ट्रू-टाइम-डिले (TTD) नेटवर्क से ठीक किया जाता है, और थर्मल बहाव को कम-सीटीई सामग्री (जैसे, रोजर्स 5880) के माध्यम से प्रबंधित किया जाता है। 3डी-मुद्रित लेंस से चरण त्रुटियों को कम किया जाता है, और हाइब्रिड एफआर4/सिरेमिक सब्सट्रेट्स का उपयोग करके निर्माण लागत में कटौती की जाती है।

आकार बनाम प्रदर्शन व्यापार-बंद

मिलीमीटर-वेव (mmWave) आवृत्तियों (24–100 GHz) के लिए एंटेना डिज़ाइन करना इंजीनियरों को एक कठिन संतुलन कार्य में मजबूर करता है: छोटे एंटेना जगह बचाते हैं लेकिन अक्सर लाभ, बैंडविड्थ, या दक्षता का बलिदान करते हैं। उदाहरण के लिए, एक विशिष्ट 28 GHz पैच एंटीना सिर्फ 5×5 mm² हो सकता है, लेकिन कम प्रभावी एपर्चर के कारण जब इसे 3×3 mm² तक छोटा किया जाता है तो इसका लाभ 8 dBi से 4 dBi तक गिर जाता है। इसी तरह, 60 GHz स्लॉट एंटीना के आकार को 30% तक कम करने से कंडक्टर नुकसान 15–20% तक बढ़ सकता है, जिससे कुल दक्षता 85% से ~70% तक कम हो जाती है।

उच्च आवृत्तियों पर व्यापार-बंद तेज हो जाते हैं। एक 76 GHz ऑटोमोटिव रडार एंटीना को ग्रेटिंग लोब से बचने के लिए कम से कम λ/2 (~2 मिमी) तत्व रिक्ति की आवश्यकता होती है, लेकिन कसकर एकीकरण अक्सर इसे λ/4 (~1 मिमी) तक धकेल देता है, जिससे साइडलोब 3–5 dB बढ़ जाते हैं। चरणबद्ध सरणियों में, छोटी तत्व रिक्ति (उदाहरण के लिए, 0.6λ बनाम 0.5λ) 45° पर स्कैन हानि को 2 dB से 1 dB तक कम कर सकती है, लेकिन पारस्परिक युग्मन 10–15% बढ़ जाता है, जिससे बीम पैटर्न विकृत हो जाते हैं।

विकिरण दक्षता बनाम आकार: रोजर्स 5880 (εᵣ=2.2) पर एक 10×10 mm² 28 GHz एंटीना 92% विकिरण दक्षता प्राप्त करता है, लेकिन FR-4 (εᵣ=4.3) पर 6×6 mm² तक छोटा करने से ढांकता हुआ नुकसान के कारण यह 78% तक गिर जाता है। उच्च-εᵣ सब्सट्रेट्स (उदाहरण के लिए, AlN, εᵣ=8.5) पदचिह्न को 40% तक छोटा कर सकते हैं, लेकिन सतह तरंगें 5–8% शक्ति बर्बाद कर सकती हैं।

बैंडविड्थ बाधाएं: 5G mmWave एंटीना जो 24–30 GHz को लक्षित करता है, उसे ≥1.5 GHz प्रतिबाधा बैंडविड्थ (|S₁₁|<−10 dB) की आवश्यकता होती है। इसके आकार को आधा करने से आमतौर पर बैंडविड्थ 30–50% तक संकीर्ण हो जाती है, जिससे 200–300 MHz को पुनर्प्राप्त करने के लिए युग्मित अनुनादक या स्लॉट लोडिंग जैसी तकनीकों की आवश्यकता होती है।

सामग्री प्रभाव: पीसीबी लेमिनेट्स के बजाय एलटीसीसी (εᵣ=7.4) का उपयोग करने से 60% छोटे एंटेना की अनुमति मिलती है, लेकिन थर्मल विस्तार बेमेल 100 थर्मल चक्र (−40°C से +85°C) में अनुनाद आवृत्ति को 0.3–0.5 GHz तक स्थानांतरित कर सकता है।

फीडिंग नेटवर्क जटिलता

mmWave चरणबद्ध सरणियों (24–100 GHz) के लिए फीडिंग नेटवर्क डिज़ाइन करना एक प्रमुख बाधा है—सम्मिलन हानि का हर अतिरिक्त dB प्रभावी आइसोट्रोपिक विकिरणित शक्ति (EIRP) को 20–25% तक कम कर देता है, और ±5° से परे चरण त्रुटियां बीम पैटर्न को विकृत कर देती हैं। 28 GHz पर एक विशिष्ट 8×8 सरणी को 64 फीडलाइनों की आवश्यकता होती है, जिनमें से प्रत्येक में प्रति सेमी 0.2–0.3 dB हानि होती है, जो कॉर्पोरेट-फेड नेटवर्क में 3–4 dB कुल हानि तक जोड़ती है। इससे भी बदतर, मोड़ या टी-जंक्शन से प्रतिबाधा बेमेल 10–15% शक्ति को प्रतिबिंबित कर सकता है, जिससे सरणी दक्षता 85% से ~70% तक कम हो जाती है।

ट्रांसमिशन लाइन नुकसान: रोजर्स 5880 (tanδ=0.0009) पर माइक्रोस्ट्रिप लाइनें 28 GHz पर 0.15 dB/cm खो देती हैं, लेकिन सस्ता FR-4 (tanδ=0.02) इसे 0.4 dB/cm तक बढ़ा देता है। 16-तत्व सरणी के लिए, यह अंतर अकेले 2.5–3 dB शक्ति बर्बाद कर देता है। स्ट्रिपलाइन डिज़ाइन नुकसान को 30% तक कम करते हैं लेकिन निर्माण जटिलता को बढ़ाते हैं, जिससे पीसीबी लागत 40–50% बढ़ जाती है।

चरण मिलान: बीम-स्टीयरिंग सरणियों में, पथ की लंबाई का अंतर −12 dB से नीचे साइडलोब को सीमित करने के लिए λ/10 (~0.1 मिमी 28 GHz पर) से कम रहना चाहिए। फीडलाइन की लंबाई में ±0.05 मिमी का बेमेल ±8° चरण त्रुटि का परिचय देता है, जो बीम को ब्रॉडसाइड पर 0.8° और 40° स्कैन पर 2.1° तक विकृत करता है। मीन्डर विलंब लाइनें क्षतिपूर्ति कर सकती हैं लेकिन प्रति मोड़ 0.1–0.2 dB हानि जोड़ती हैं।

शक्ति विभाजन: विल्किंसन डिवाइडर पोर्ट के बीच −20 dB अलगाव प्रदान करते हैं लेकिन टी-जंक्शन की तुलना में 3 गुना अधिक क्षेत्र घेरते हैं। 64-तत्व सरणियों में, यह क्रॉसओवर नुकसान से बचने के लिए 4-परत पीसीबी को मजबूर करता है, जिससे इकाई लागत 12 डॉलर से 22 डॉलर तक बढ़ जाती है। असमान शक्ति विभाजन (उदाहरण के लिए, −3 dB केंद्र/−6 dB किनारा) साइडलोब को 2–3 dB तक टेपर कर सकता है लेकिन कस्टम प्रतिबाधा ट्रांसफार्मर की आवश्यकता होती है, जिससे डिज़ाइन चक्र में 2 सप्ताह जुड़ जाते हैं।

पारस्परिक युग्मन: <0.3λ की दूरी पर आसन्न माइक्रोस्ट्रिप लाइनें −15 dB शक्ति का युग्मन करती हैं, जिससे आयाम वितरण ±10% तक तिरछा हो जाता है। ग्राउंड-समर्थित कोप्लानर वेवगाइड्स (GBCPW) युग्मन को −25 dB तक कम करते हैं लेकिन लेजर-ड्रिल्ड विया की मांग करते हैं, जिससे निर्माण लागत 18% बढ़ जाती है।

सब्सट्रेट हानि मुद्दे

mmWave आवृत्तियों (24–100 GHz) पर, सब्सट्रेट नुकसान खराब विकिरण पैटर्न या प्रतिबाधा बेमेल की तुलना में एंटीना दक्षता को तेजी से नष्ट कर सकता है। मानक FR-4 (tanδ=0.02) पर एक विशिष्ट 28 GHz पैच एंटीना ढांकता हुआ अवशोषण से अपनी विकिरणित शक्ति का 25–30% खो देता है, जिससे दक्षता 85% से ~60% तक गिर जाती है। यहां तक कि रोजर्स 5880 (tanδ=0.0009) जैसी उच्च-स्तरीय सामग्री भी सतह तरंग उत्तेजना के कारण 60 GHz पर 5–8% शक्ति बर्बाद करती है। पतले सब्सट्रेट्स के साथ समस्या और भी बदतर हो जाती है—76 GHz पर एक 0.1 मिमी मोटी लैमिनेट एक 0.5 मिमी बोर्ड की तुलना में 12–15% अधिक नुकसान झेल सकता है क्योंकि ढांकता हुआ में प्रवेश करने वाले मजबूत फ्रिंजिंग क्षेत्र होते हैं।

कंडक्टर नुकसान दर्द की एक और परत जोड़ते हैं। FR-4 पर एक 5 µm तांबे के निशान में 28 GHz पर उसी निशान की तुलना में 40% अधिक प्रतिरोधक नुकसान होता है, जो कि रफ सतह के दानों में वर्तमान घनत्व को धकेलने वाले त्वचा प्रभाव के कारण होता है। 16-तत्व सरणी के लिए, यह अंतर अकेले सामग्री विकल्पों से 1.8–2.2 dB अतिरिक्त नुकसान में बदल जाता है। यहां तक कि 3 µm सोने की प्लेटिंग के साथ भी, कंडक्टर नुकसान 60 GHz पर माइक्रोस्ट्रिप लाइन के प्रति सेमी 0.3–0.5 dB खाते हैं, जिससे लंबे फीड नेटवर्क एक शक्ति-चूसने वाला दुःस्वप्न बन जाते हैं।

थर्मल प्रभाव आगे प्रदर्शन को कम करते हैं। जब सब्सट्रेट का तापमान 25°C से 85°C तक बढ़ जाता है, तो पीटीएफई-आधारित लैमिनेट्स का ढांकता हुआ स्थिरांक (εᵣ) 2–3% तक बह जाता है, जिससे अनुनाद आवृत्ति 0.4–0.6 GHz तक डीट्यून हो जाती है। ऑटोमोटिव रडार एंटेना में, यह बीम पॉइंटिंग कोण को 1–2° तक स्थानांतरित कर सकता है, जो 50 मीटर पर पैदल यात्री का पता लगाने से चूकने के लिए पर्याप्त है। आर्द्रता एक और मूक हत्यारा है—FR-4 में 10% नमी अवशोषण tanδ को 30% तक बढ़ाता है, जिससे 24 GHz पर 0.2 dB/cm नुकसान जुड़ जाता है।

लागत बनाम प्रदर्शन व्यापार-बंद क्रूर हैं। FR-4 से रोजर्स 3003 पर स्विच करने से नुकसान 50% कम हो जाता है लेकिन सब्सट्रेट लागत 0.30 डॉलर/dm² से 5 डॉलर/dm² तक बढ़ जाती है। 200 मिमी × 200 मिमी सरणी के लिए, यह प्रति यूनिट 94 डॉलर की कीमत में वृद्धि है। कुछ डिज़ाइनर हाइब्रिड दृष्टिकोण आज़माते हैं, जैसे फ़ीडलाइन के लिए रोजर्स RO4003C और समर्थन संरचनाओं के लिए FR-4 का उपयोग करना, जो सामग्री लागत पर 35% बचाता है लेकिन प्रतिबाधा असंतुलन से बचने के लिए लेजर-ड्रिल्ड इंटरकनेक्ट्स की आवश्यकता होती है।

सतह खुरदरापन को अक्सर अनदेखा कर दिया जाता है। 2 µm RMS तांबे की खुरदरापन (कम लागत वाले पीसीबी में आम) 0.5 µm लुढ़के हुए तांबे की तुलना में 28 GHz पर कंडक्टर नुकसान को 18% बढ़ा देता है। इलेक्ट्रोडिपॉजिटेड तांबे का प्रदर्शन और भी खराब होता है, जिसमें 3–4 µm नोड्यूल नुकसान को 25% तक बढ़ाते हैं। समाधान? चिकनी समतलन परतें या कम-प्रोफ़ाइल तांबा, लेकिन ये निर्माण लागत में प्रति वर्ग फुट 12–15 डॉलर जोड़ते हैं।

व्यावहारिक शमन रणनीतियों में विकिरणित पैच के तहत स्थानीयकृत उच्च-εᵣ सिरेमिक (60% तक सब्सट्रेट मात्रा को कम करना जबकि नुकसान को 8% से कम रखना), ढांकता हुआ अवशोषण को कम करने के लिए वायु गुहाएं (दक्षता में 10–12% सुधार करना), और सतह तरंगों को दबाने के लिए ग्राउंड-प्लेन वेधन (पीछे के विकिरण को 3–5 dB तक कम करना) शामिल हैं। बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए, LTCC (कम तापमान सह-फायर सिरेमिक) 40 GHz पर tanδ=0.002 प्रदान करता है, जिसमें ±0.5% εᵣ सहनशीलता होती है, लेकिन इसके लिए $50k+ टूलींग निवेश की आवश्यकता होती है—केवल 10,000-इकाई मात्रा से ऊपर व्यवहार्य।

बीम स्क्विंट समस्याएं

बीम स्क्विंट—जहां स्टीयरिंग करते समय आपके एंटीना का मुख्य लोब आवृत्ति स्थानांतरित होता है—वाइडबैंड mmWave सिस्टम में एक छिपा हुआ हत्यारा है। ±45° तक स्कैन करने वाली एक विशिष्ट 28 GHz चरणबद्ध सरणी सिर्फ 1 GHz बैंडविड्थ में 3-5° बीम बहाव से पीड़ित हो सकती है, जो 30 किमी/घंटा की गति से चलने वाले 5G UE को याद करने के लिए पर्याप्त है। भौतिकी क्रूर है: केंद्र आवृत्ति से हर 100 MHz ऑफसेट के लिए, λ/2 रिक्ति वाली एक 4-तत्व सबएरे 1.2° चरण त्रुटि का परिचय देती है, जो बीम को ब्रॉडसाइड पर 0.8° और 40° स्कैन पर 2.1° तक विक्षेपित करती है।

“77 GHz पर ऑटोमोटिव रडार में, 0.5° बीम स्क्विंट भी 100 मीटर पर 70 सेमी लक्ष्यीकरण त्रुटि में बदल जाता है—ब्रेक मारने या पैदल चलने वालों को मारने के बीच का अंतर।”

ट्रू टाइम डिले (TTD) बनाम चरण शिफ्टर व्यापार-बंद समाधान स्थान पर हावी हैं। पारंपरिक 5-बिट चरण शिफ्टर की लागत केवल $0.80/तत्व है लेकिन 60 GHz पर 4 GHz बैंडविड्थ में 4.3° आरएमएस स्क्विंट बनाते हैं। एनालॉग TTD लाइनों पर स्विच करने से यह 0.7° तक कम हो जाता है लेकिन लागत $12/तत्व तक बढ़ जाती है और 0.4 dB/cm हानि जुड़ जाती है। सबएरे-स्तर TTD जैसे हाइब्रिड दृष्टिकोण तत्व-स्तर चरण शिफ्टर के साथ अंतर को विभाजित करते हैं—$4.20/तत्व पर 1.8° स्क्विंट, हालांकि अंशांकन जटिलता प्रति सरणी परीक्षण समय को 30% तक बढ़ा देती है।

सब्सट्रेट फैलाव सब कुछ बदतर बना देता है। रोजर्स 3003 का εᵣ 24-30 GHz से 2.7% भिन्न होता है, जिससे λeff परिवर्तन होते हैं जो अकेले चरण त्रुटियों से परे स्क्विंट को 1.2° तक स्थानांतरित करते हैं। LTCC सब्सट्रेट 0.8% εᵣ भिन्नता के साथ बेहतर प्रदर्शन करते हैं, लेकिन उनकी ±25 µm परत संरेखण सहनशीलता 0.3° अतिरिक्त बीम पॉइंटिंग त्रुटि का परिचय देती है। सबसे अच्छा समझौता? फ्यूज्ड सिलिका (εᵣ=3.8±0.2%) 0.5° स्क्विंट स्थिरता प्रदान करता है, लेकिन FR-4 की लागत का 8 गुना है।

फीडिंग नेटवर्क विषमताएं समस्याओं को बढ़ाती हैं। 16 तत्वों में 0.1 मिमी पथ की लंबाई बेमेल वाला एक कॉर्पोरेट फ़ीड आवृत्ति प्रभावों पर विचार करने से पहले 1.8° स्क्विंट जोड़ता है। सीरीज़-फेड सरणियाँ बदतर हैं—उनकी यात्रा-तरंग प्रकृति 28 GHz पर प्रति GHz 8-12° स्क्विंट बनाती है, जिससे वे सक्रिय मुआवजे के बिना 400 MHz+ चैनलों के लिए अनुपयोगी हो जाते हैं।

बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए तीन व्यावहारिक सुधार काम करते हैं:

1. प्री-विकृत चरण कोड जो बैंड किनारों पर जानबूझकर 0.7-1.2° तक गलत अंशांकन करते हैं (शून्य हार्डवेयर लागत के साथ स्क्विंट को 60% तक कम करता है)
2. दोहरी-ध्रुवीकृत तत्व लंबवत चरण प्रगति के साथ जो एकल-पोल डिज़ाइन में 2.3° से 1.1° तक औसत स्क्विंट करते हैं
3. बॉन्डवायर विलंब लाइनें $0.03/तत्व पर 1.5 ps/mm ट्रू-टाइम-डिले जोड़ती हैं, हालांकि ±0.2 ps/mm प्रक्रिया भिन्नता के साथ

ऑटोमोटिव रडार इसे अलग तरह से हल करता है—वे 200 MHz चरणों में बैंडविड्थ को चिरप करते हैं, तात्कालिक स्क्विंट को 0.2° से नीचे रखते हैं, फिर परिणामों को डिजिटल रूप से सिलाई करते हैं। यह 76-81 GHz के लिए काम करता है लेकिन 5G FR2 में शानदार ढंग से विफल रहता है जहां 400 MHz CA को निरंतर संचालन की आवश्यकता होती है।

निर्माण सहनशीलता सीमाएं

mmWave आवृत्तियों पर, ±5 माइक्रोन की विनिर्माण त्रुटि आपके एंटीना के प्रदर्शन को बर्बाद कर सकती है। 5.3×5.3 मिमी तत्वों के लिए डिज़ाइन किया गया एक 28 GHz पैच एंटीना मानक पीसीबी नक़्क़ाशी सहनशीलता के कारण यदि 5.45×5.45 मिमी पर निर्मित होता है तो 7% अनुनाद आवृत्ति बदलाव से पीड़ित होगा। यह 250 MHz डीट्यूनिंग में बदल जाता है – पूरे 5G NR चैनलों को याद करने के लिए पर्याप्त है। यहां तक कि लेजर डायरेक्ट स्ट्रक्चरिंग (LDS) प्रक्रियाएं भी ±15 µm सटीकता का दावा करती हैं, लेकिन 300×300 मिमी सरणी पैनलों में थर्मल ताना-बाना अक्सर ±25 µm झुकाव का परिचय देता है, जिससे एपर्चर में 1.2 dB लाभ भिन्नता होती है।

परत-दर-परत बेमेल एक और मूक हत्यारा है। परतों के बीच ±35 µm पंजीकरण त्रुटि वाली एक 4-परत FR-4 सरणी प्रतिबाधा असंतुलन के कारण 60 GHz पर 18% अधिक सम्मिलन हानि देखती है। 0.2 मिमी व्यास माइक्रोविया का उपयोग करते समय, सिर्फ 10 µm ड्रिल भटकने से विया प्रतिरोध 30% बढ़ जाता है, जिससे प्रति संक्रमण 0.4 dB हानि जुड़ जाती है। नीचे दी गई तालिका दर्शाती है कि विभिन्न निर्माण विधियां प्रमुख मापदंडों को कैसे प्रभावित करती हैं:

इलाज के दौरान सामग्री का सिकुड़ना सिरदर्द पैदा करता है। पीटीएफई-आधारित सब्सट्रेट फाड़ना के दौरान 0.3-0.7% सिकुड़ते हैं, जिससे सावधानीपूर्वक डिज़ाइन किए गए λ/4 स्टब्स λ/4.6 बेमेल में बदल जाते हैं। 76 GHz ऑटोमोटिव रडार के लिए, इसका मतलब है 5° बीम पॉइंटिंग त्रुटियां जिन्हें ठीक करने के लिए प्रति सरणी 3 घंटे लेजर ट्रिमिंग की आवश्यकता होती है – उत्पादन लागत में $22/इकाई जोड़ना। यहां तक कि कम-सिकुड़ने वाले सिरेमिक जैसे AlN भी ±0.15% भिन्न होते हैं, जिससे डिजाइनरों को महत्वपूर्ण सुविधाओं के चारों ओर ±50 µm कीप-आउट ज़ोन लागू करने के लिए मजबूर होना पड़ता है।

mmWave पर सतह खुरदरापन अधिक मायने रखती है। मानक 3 µm Ra तांबे के कारण 28 GHz पर 1 µm Ra लुढ़के हुए तांबे की तुलना में 12% अधिक कंडक्टर नुकसान होता है। 16-तत्व सबएरे का निर्माण करते समय, यह खुरदरापन भिन्नता अकेले चैनलों के बीच 1.5 dB आयाम असंतुलन पैदा कर सकती है। समाधान? निकल पर इलेक्ट्रोप्लेटेड सोना 0.8 µm Ra प्राप्त करता है लेकिन निर्माण लागत में $0.35/cm² जोड़ता है – रडार सरणियों के लिए उचित है लेकिन विशाल एमआईएमओ पैनलों के लिए निषेधात्मक है।

सतह तरंग प्रभाव

mmWave आवृत्तियों पर, सतह तरंगें आपकी विकिरणित शक्ति का 15–25% चुरा सकती हैं, इसे अवांछित सब्सट्रेट मोड में बदल सकती हैं जो पैटर्न अखंडता और दक्षता को बर्बाद कर देती हैं। रोजर्स 5880 (εᵣ=2.2) पर एक 28 GHz पैच एंटीना सतह तरंगों को उत्तेजित करता है जो कुल ऊर्जा का 8–12% ले जाती हैं, जिससे 3–5 dB साइडलोब गिरावट और ±10° बीम स्क्विंट होता है जब वे सब्सट्रेट किनारों से फिर से विकिरण करते हैं। उच्च-εᵣ एल्यूमिना (εᵣ=9.8) पर स्विच करें, और समस्या और भी बदतर हो जाती है—40–50% शक्ति सतह तरंगों से जुड़ जाती है, जिससे 60 GHz पर एंटीना दक्षता 85% से सिर्फ 45% तक गिर जाती है।

मोटाई-से-तरंग दैर्ध्य अनुपात तय करता है कि यह कितना बुरा होता है। 28 GHz पर एक 0.5 मिमी मोटी सब्सट्रेट (≈λ/20) 0.2 मिमी बोर्ड की तुलना में सतह तरंगों को बेहतर ढंग से दबाता है, लेकिन केवल 6–8% तक। बहुत मोटा जाएं (उदाहरण के लिए, 1.5 मिमी), और आप नकली समानांतर-प्लेट मोड के लिए सतह तरंग नुकसान का व्यापार करते हैं जो 2–3 dB बैकलोब विकिरण जोड़ते हैं। मधुर स्थान? 24–40 GHz के लिए 0.3–0.4 मिमी मोटाई, जहां सतह तरंग नुकसान 12% से कम रहता है जबकि यांत्रिक कठोरता बनाए रखता है।

ग्राउंड प्लेन दोष इस मुद्दे को बढ़ाते हैं। 76 GHz एंटीना के तहत ग्राउंड लेयर में 2 मिमी का गैप सतह तरंगों को 90° चरण बदलाव के साथ प्रतिबिंबित करता है, जिससे एच-प्लेन पैटर्न में ±30° पर 4–6 dB नल बनते हैं। यहां तक कि λ/4 की दूरी पर स्थित 0.1 मिमी व्यास विया छेद भी सतह तरंगों को आवृत्ति में 3 dB बीमविड्थ भिन्नता में बिखेर सकते हैं। समाधान? λ/10 विया सिलाई के साथ निरंतर ग्राउंड प्लेन (28 GHz पर ≈0.3 मिमी) बिखरी हुई ऊर्जा को 15–20% तक कम करते हैं, लेकिन यह 30% अधिक पीसीबी रियल एस्टेट खा जाता है।

सामग्री चयन एक दोधारी तलवार है। कम-εᵣ पीटीएफई सब्सट्रेट (εᵣ=2.1) सतह तरंग युग्मन को 5–8% तक कम करते हैं, लेकिन उनकी खराब तापीय चालकता (+150°C परिचालन तापमान) ट्रांसमिशन के 10 मिनट के बाद अनुनाद आवृत्ति को 0.2 GHz तक स्थानांतरित कर देती है। सिरेमिक-भरे हुए लेमिनेट्स (εᵣ=6.15) गर्मी को बेहतर ढंग से संभालते हैं लेकिन 25–30% सतह तरंग नुकसान झेलते हैं जब तक कि आप धात्विक लेंस संरचनाएं नहीं जोड़ते हैं, जो इकाई लागत को 22 डॉलर से 35 डॉलर तक बढ़ा देती हैं।

ध्रुवीकरण नियंत्रण के तरीके

mmWave आवृत्तियों (24-100 GHz) पर ध्रुवीकरण प्रबंधन 5% सिग्नल ड्रॉपआउट और 99.9% लिंक विश्वसनीयता के बीच अंतर पैदा करता है। एकल रैखिक ध्रुवीकरण वाला एक मानक 28 GHz पैच एंटीना 8-12 dB क्रॉस-पोल भेदभाव (XPD) से पीड़ित होता है, लेकिन आधुनिक 5G FR2 सिस्टम 800 MHz बैंडविड्थ पर 256-QAM मॉड्यूलेशन बनाए रखने के लिए >18 dB XPD की मांग करते हैं। 60 GHz बैकहॉल में, अनुचित ध्रुवीकरण नियंत्रण मल्टीपाथ हस्तक्षेप के कारण 30% थ्रूपुट हानि का कारण बनता है – जो परिचालन लागत में प्रति लिंक $15,000/वर्ष बर्बाद करने के बराबर है।

वृत्ताकार ध्रुवीकरण (CP) तकनीकें mmWave डिज़ाइन पर हावी हैं। सिंगल फीड वाला एक मूल स्क्वायर पैच 28 GHz पर केवल 1.2% की 3 dB अक्षीय अनुपात (AR) बैंडविड्थ प्राप्त करता है, जबकि दोहरे-फेड कोने-कटाव वाले पैच इसे 8% तक सुधारते हैं लेकिन दोगुनी फीड नेटवर्क जटिलता की आवश्यकता होती है। नीचे दी गई तालिका दर्शाती है कि विभिन्न CP पीढ़ी के तरीके कैसे तुलना करते हैं:

ध्रुवीकरण पुनर्संरचनात्मकता एक और आयाम जोड़ती है। पीआईएन डायोड स्विच 300 एनएस में एलएचसीपी/आरएचसीपी के बीच टॉगल कर सकते हैं, लेकिन 60 GHz पर प्रति स्विच 0.7 dB सम्मिलन हानि का परिचय देते हैं, जिससे सिस्टम दक्षता 12% गिर जाती है। एमईएमएस-आधारित समाधान 0.2 dB हानि के साथ बेहतर प्रदर्शन करते हैं, फिर भी उनका 1.5 µs स्विचिंग समय ध्रुवीकरण हैंडओवर के दौरान 4-6 प्रतीक त्रुटियों का कारण बनता है। सबसे अधिक लागत प्रभावी दृष्टिकोण यांत्रिक रोटेशन का उपयोग करता है – एक 90° मोड़ तंत्र <0.3 dB हानि के साथ ध्रुवीकरण को बदलता है, हालांकि यह 50 एमएस विलंबता और $7.50/इकाई यांत्रिक जटिलता जोड़ता है।

सामग्री अनिसोट्रॉपी अप्रत्याशित चुनौतियां पैदा करती है। मानक FR-4 बुनाई दिशाओं के बीच 3-5% ढांकता हुआ स्थिरांक भिन्नता प्रदर्शित करता है, जिससे 32-तत्व सरणियों में 2-3° ध्रुवीकरण झुकाव होता है। रोजर्स RT/duroid 5880 इसे 0.8% भिन्नता तक कम कर देता है, लेकिन इसकी $18/dm² कीमत महत्वपूर्ण घटकों तक उपयोग को सीमित करती है। बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए, ग्लास-प्रबलित हाइड्रोकार्बन सिरेमिक $1.25/dm² की पेशकश करते हैं, जो सर्वोत्तम समझौता का प्रतिनिधित्व करते हैं।

विनिर्माण सहनशीलता ध्रुवीकरण शुद्धता को उससे अधिक प्रभावित करती है जितना कि ज्यादातर लोग महसूस करते हैं। अनुक्रमिक रोटेशन सरणियों में 0.1 मिमी का बेमेल अक्षीय अनुपात को 1.2 dB तक कम कर देता है, जबकि हेलिकल एंटीना मोड़ों में ±5° कोणीय त्रुटियां XPD को 6-8 dB तक खराब कर देती हैं। लेजर-कट मेटासर्फेस उत्पादन के बाद इन त्रुटियों को ठीक कर सकते हैं, लेकिन निर्माण लागत में $0.35/cm² जोड़ते हैं।