सिरेमिक एंटीना ऐर्रे: सिद्धांत, डिज़ाइन और आधुनिक वायरलेस प्रणालियों का मूल आधार

अमूर्त: आज के अत्यधिक संबद्ध दुनिया में, वायरलेस संचार उपकरण लगातार छोटे आकार, उच्च प्रदर्शन और बहुमुखी कार्यक्षमता की ओर तेजी से विकसित हो रहे हैं। पारंपरिक एंटीना अक्सर आकार और प्रदर्शन के बीच संतुलन बनाए रखने में कठिनाई का सामना करते हैं। सिरेमिक एंटीना ऐरे, उच्च-प्रदर्शन वाली सिरेमिक सामग्री को ऐरे एंटीना तकनीक के साथ जोड़ने वाला एक नवीन समाधान, 5G टर्मिनल से लेकर उपग्रह संचार तक के अग्रणी क्षेत्रों में मुख्य प्रौद्योगिकी के रूप में उभर रहे हैं, क्योंकि इनमें अत्यधिक एकीकरण, बैंडविड्थ और विकिरण दक्षता होती है। इस लेख में उनके कार्यकारी सिद्धांतों, मुख्य डिजाइन तत्वों और उनके व्यापक अनुप्रयोगों की एक व्यापक समीक्षा प्रस्तुत की गई है।

I. सिरेमिक एंटीना ऐरे के मुख्य सिद्धांत

सिरेमिक एंटीना ऐरे का सिद्धांत दो प्रौद्योगिकी स्तंभों पर आधारित है: उच्च-प्रदर्शन वाली सिरेमिक परावैद्युत सामग्री और ऐरे एंटीना सिद्धांत।

1. सामग्री का आधार: सिरेमिक परावैद्युत अनुनादक

पारंपरिक धातु एंटीना के विपरीत जो चालक सतह धारा विकिरण पर निर्भर करते हैं, सिरेमिक एंटीना (अधिक सटीक रूप से, परावैद्युत अनुनादक एंटीना, DRAs) परावैद्युत अनुनाद का उपयोग करते हैं। चुने गए सिरेमिक सामग्री (जैसे बेरियम स्ट्रॉन्शियम टाइटेनेट, बेरियम टाइटेनेट) में ये प्रमुख विशेषताएं होती हैं:

• उच्च पारगम्यता: परावैद्युत के भीतर विद्युत चुम्बकीय तरंग की तरंगदैर्ध्य हवा में तरंगदैर्ध्य के 1/√ε_r तक छोटी हो जाती है। इससे एंटीना के आकार में महत्वपूर्ण कमी संभव होती है, जो लघुकरण को सक्षम बनाता है।

• कम हानि स्पर्शज्या: सामग्री का आंतरिक अवशोषण हानि विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा का बहुत कम होता है, जो उच्च विकिरण दक्षता सुनिश्चित करता है।

• समायोज्य तापमान-आवृत्ति विशेषताएँ: सामग्री संरचना को समायोजित करके विभिन्न पर्यावरणीय परिस्थितियों के तहत स्थिरता प्राप्त की जा सकती है।

जब सिरेमिक निकाय के आयाम, परावैद्युत तरंगदैर्ध्य के आधे के निकट पहुँचते हैं, तो विशिष्ट वैद्युत चुम्बकीय अनुनाद मोड (उदाहरणार्थ, TE या TM मोड) उत्तेजित होते हैं, जिससे सिरेमिक निकाय की सतहों पर तीव्र फ्रिंजिंग क्षेत्र उत्पन्न होते हैं। ये क्षेत्र मुक्त अंतरिक्ष के साथ युग्मित होकर प्रभावी वैद्युत चुम्बकीय विकिरण को सक्षम बनाते हैं।

2. एर्रे सशक्तिकरण: बीमफॉर्मिंग और प्रदर्शन में वृद्धि

एकल सिरेमिक ऐंटीना तत्व उत्कृष्ट प्रदर्शन प्रदान करता है, लेकिन इसकी क्षमताएँ सीमित होती हैं। एक विशिष्ट ज्यामिति (रैखिक, समतल या अनुरूप) में कई सिरेमिक ऐंटीना तत्वों की व्यवस्था करके एक "एर्रे" बनाने से गुणात्मक छलांग संभव होती है:

• बीम आकारण और स्कैनिंग: प्रत्येक तत्व में आपूर्ति किए गए सिग्नल के आयाम और कला को नियंत्रित करके, एर्रे के विकिरण पैटर्न को सटीक रूप से आकार दिया जा सकता है। कला नियंत्रण के लिए चरण शिफ्टर का उपयोग करके मुख्य बीम को बिना किसी यांत्रिक गति के स्थान में इलेक्ट्रॉनिक रूप से स्कैन किया जा सकता है।

• उच्च लाभ और मजबूत दिशात्मकता: सरणी अंतरिक्ष में कई तत्वों से उत्सर्जित ऊर्जा को सुसंगत रूप से संयोजित करती है, जिससे एकल तत्व की तुलना में विशिष्ट दिशाओं में लाभ और दिशात्मकता काफी बेहतर होती है।

• लचीला बीम नियंत्रण: एल्गोरिदम (उदाहरण के लिए, अनुकूली बीम आकार निर्माण) बीम के आकार में गतिशील रूप से समायोजन कर सकते हैं, जो हस्तक्षेप स्रोतों की ओर शून्य स्थान निर्देशित करने या लक्ष्य उपयोगकर्ताओं को ट्रैक करने जैसे बुद्धिमत्तापूर्ण कार्यों को सक्षम करता है।

3. संक्षिप्त कार्य सिद्धांत सारांश

एक सेरामिक एंटीना सरणी में, आरएफ संकेत प्रत्येक सेरामिक तत्व में एक फीडिंग नेटवर्क (उदाहरण के लिए, माइक्रोस्ट्रिप लाइन, समाक्षीय प्रोब, या एपर्चर युग्मन) के माध्यम से अनुनाद को उत्तेजित करता है। प्रत्येक तत्व से उत्सर्जित गोलाकार तरंगें दूर क्षेत्र क्षेत्र में हस्तक्षेप करती हैं। तत्वों की दूरी (आमतौर पर ग्रेटिंग लोब्स से बचने के लिए मुक्त स्थान तरंग दैर्ध्य के लगभग आधे के बराबर) और फीड वितरण को बारीकी से डिज़ाइन करके, सभी तत्वों से विकिरण वांछित दिशा में सम-कला में जुड़ते हैं और मजबूत होते हैं, जबकि अवांछित दिशाओं में रद्द हो जाते हैं, जिससे एक तीखी, नियंत्रित बीम बनती है।

II. सिरेमिक एंटीना ऐरे के लिए डिज़ाइन और प्रमुख विचार

उच्च-प्रदर्शन सिरेमिक एंटीना ऐरे के डिज़ाइन की एक जटिल प्रणाली इंजीनियरिंग टास्क है, जिसमें निम्नलिखित तत्वों के बीच संतुलन बनाए रखना आवश्यक है:

• अवयव डिज़ाइन: अनुनादी आवृत्ति, बैंडविड्थ और विकिरण प्रतिरूप को अनुकूलित करने के लिए सिरेमिक ब्लॉक के आकार (आयताकार, बेलनाकार, अर्धगोलाकार), आकार और सामग्री पैरामीटर निर्धारित करना।

• ऐरे विन्यास: अनुप्रयोग आवश्यकताओं के आधार पर 1D रैखिक ऐरे, 2D समतल ऐरे या 3D समायोज्य ऐरे का चयन करना। एलिमेंट स्पेसिंग एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है, जिसमें ग्रेटिंग लोब्स से बचने और पारस्परिक युग्मन को दबाने के बीच संतुलन बनाए रखना आवश्यक है।

• फीडिंग नेटवर्क: आवश्यक आयाम और कला वितरण प्रदान करने के लिए एक कुशल, कम-हानि फीड संरचना का डिज़ाइन करना। आधुनिक डिज़ाइन अक्सर सक्रिय नियंत्रण के लिए सिलिकॉन-आधारित या यौगिक अर्धचालक एकीकृत परिपथों के साथ एकीकृत होते हैं।

• पारस्परिक युग्मन प्रभाव: निकटता में स्थित तत्वों के बीच विद्युत चुम्बकीय युग्मन तत्व प्रतिबाधा और विकिरण विशेषताओं को प्रभावित करता है, जिसके कारण युग्म-मुक्ति तकनीकों या एल्गोरिदम द्वारा क्षतिपूर्ति की आवश्यकता होती है।

• पैकेजिंग और एकीकरण: सिरेमिक ऐंटीना को पीसीबी पैकेजिंग के साथ आसानी से एकीकृत किया जा सकता है, जिसमें तापीय प्रसार गुणांक के मिलान, यांत्रिक स्थिरता और पर्यावरण संरक्षण पर विचार करने की आवश्यकता होती है।

III. व्यापक अनुप्रयोग क्षेत्र

सिरेमिक ऐंटीना सरणियों के अद्वितीय लाभ उन्हें कई चुनौतीपूर्ण परिदृश्यों में अनिवार्य बनाते हैं:

1. पांचवी पीढ़ी और भविष्य के मोबाइल संचार

• 5G/6G स्मार्टफोन और टर्मिनल: आंतरिक स्थान सीमित होता है। सिरेमिक ऐंटीना सरणी मैसिव MIMO और मिलीमीटर-तरंग बीम आकारण के लिए एक संक्षिप्त समाधान प्रदान करती है, जो उच्च गति, कम विलंबता वाले 5G संचार को सक्षम करने के लिए महत्वपूर्ण है।

• 5G स्मॉल सेल्स और फिक्स्ड वायरलेस एक्सेस: घने शहरी क्षेत्रों में कवरेज के लिए उपयोग किया जाता है, उच्च लाभ और इलेक्ट्रॉनिक स्कैनिंग क्षमता उपयोगकर्ताओं को सटीक रूप से सेवा प्रदान कर सकती है, जिससे नेटवर्क क्षमता और ऊर्जा दक्षता में सुधार होता है।

2. उपग्रह संचार

• लो अर्थ ऑर्बिट सैटेलाइट कॉन्स्टेलेशन (उदाहरण: स्टारलिंक): उपग्रह प्लेटफार्मों पर एंटीना के वजन, आयतन और विश्वसनीयता पर सख्त आवश्यकताएं हैं। सिरेमिक चरणबद्ध सरणी एंटेना हल्के, कम प्रोफ़ाइल, बहु-बीम पीढ़ी, और तेजी से बीम-हॉपिंग क्षमताएं प्रदान करती है, उच्च-प्रवाह क्षमता वाले उपग्रहों की "संचार पर गति" की जरूरतों को पूरा करती है।

• ग्राउंड यूजर टर्मिनल: पोर्टेबल या वाहन उपग्रह टर्मिनल जो सिरेमिक एरे का उपयोग करते हैं, स्थिर कनेक्शन की स्थापना के लिए स्वचालित, त्वरित उपग्रह ट्रैकिंग को सक्षम करते हैं।

3. ऑटोमोबाइल इलेक्ट्रॉनिक्स और स्वायत्त ड्राइविंग

• ऑटोमोटिव रडार: 77 GHz मिलीमीटर तरंग के सिरेमिक एंटीना सरणी उन्नत ड्राइवर सहायता प्रणालियों और स्वायत्त वाहनों की मुख्य "आंखें" हैं, जिनका उपयोग वाहन के आसपास वस्तु दूरी, गति और कोण का सटीक पता लगाने के लिए किया जाता है।

• इंटेलिजेंट व्हीक्युलर नेटवर्किंग: एकीकृत वी2एक्स संचार एंटेना वाहनों और बुनियादी ढांचे के बीच विश्वसनीय डेटा आदान-प्रदान की अनुमति देती है।

4. इंटरनेट ऑफ थिंग्स और वियरेबल डिवाइस

• आईओटी सेंसर, स्मार्टवॉच और अन्य ऐसे उपकरण जो आकार और बिजली की खपत के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होते हैं, सीमित स्थान में स्थिर वायरलेस कनेक्शन प्रदर्शन बनाए रखने के लिए माइनिएचर सिरामिक एंटीना एर्रे का उपयोग करते हैं।

5. रक्षा और एयरोस्पेस

• रडार, इलेक्ट्रॉनिक वॉरफेयर और सुरक्षित संचार के लिए सिस्टम में चरम परिस्थितियों में काम करने वाले उच्च-प्रदर्शन, अत्यधिक विश्वसनीय फ़ेज़्ड एर्रे एंटीना की आवश्यकता होती है। सिरामिक सामग्री की उच्च तापमान स्थिरता और क्षरण प्रतिरोध इसे आदर्श बनाते हैं।

IV. भविष्य की संभावनाएं

सामग्री विज्ञान (उदाहरण: लो-टेम्परेचर को-फायर्ड सिरेमिक तकनीक), एकीकृत परिपथ (सिलिकॉन-आधारित mmWave चिप्स) और AI एल्गोरिदम में उन्नति सिरेमिक एंटीना एर्रे के लिए स्पष्ट भविष्य की प्रवृत्तियों की ओर इशारा करती है:

• उच्च आवृत्ति बैंड और व्यापक बैंडविड्थ: अत्यधिक डेटा दर का समर्थन करने के लिए टेराहर्ट्ज़ रेंज में प्रवेश करना।

• उच्चतर एकीकरण: RF फ्रंट-एंड के साथ "एंटीना-इन-पैकेज" और पूर्ण एकीकरण की ओर विकास।

• बुद्धिमत्ता और अनुकूलन क्षमता: वास्तविक समय में पर्यावरणीय संवेदन और स्व-अनुकूलित बीम प्रबंधन के लिए कृत्रिम बुद्धि के साथ गहन एकीकरण।

• नई सुविधा एकीकरण: ऐंटीना ऐर्रे भौतिक परत पर संवेदन, ऊर्जा संग्रहण और अन्य कार्यों के एकीकरण की संभावना का पता लगाना।

निष्कर्ष

चिनाई ऐंटीना ऐर्रे केवल ऐंटीना तत्वों के साधारण ढेर होने से कहीं अधिक हैं। ये सामग्री विज्ञान, विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत और सिग्नल प्रसंस्करण एल्गोरिदम के बीच गहन एकीकरण का परिणाम हैं। ये वायरलेस प्रणालियों के "संवेदन अंग" को एक नए स्तर पर ले जाते हैं—छोटे, बुद्धिमान और अधिक शक्तिशाली। प्रत्येक व्यक्ति को जोड़ने से लेकर सब कुछ जोड़ने तक, भू-आधारित नेटवर्क से लेकर अंतरिक्ष-वायु-भूमि एकीकरण तक, आधुनिक वायरलेस सूचना प्रणालियों के आधारशिला के रूप में चिनाई ऐंटीना ऐर्रे एक गहन संचार क्रांति को शांति से संचालित कर रहे हैं, जिसकी सीमाएं लगातार विस्तारित हो रही हैं।