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Multi-Band Patch Antenna Array for Out-of-Band Aided Millimeter Wave Communication

यह शोध पत्र आउट-ऑफ-बैंड सहायता प्राप्त संचार के लिए सब-6 GHz एरेज़ के सामने मिलीमीटर-वेव एंटीना संरचनाओं को सह-स्थानित (colocating) करने के प्रभाव की जांच करता है, जो सिमुलेशन और मापन के माध्यम से यह प्रदर्शित करता है कि ऐसी कॉन्फ़िगरेशन के परिणामस्वरूप सब-6 GHz विकिरण प्रदर्शन में नगण्य गिरावट होती है।

मूल लेखक: Faruk Pasic, Jure Soklič, Robert Langwieser, Stefan Schwarz, Christoph F. Mecklenbräuker

प्रकाशित 2026-04-06

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Faruk Pasic, Jure Soklič, Robert Langwieser, Stefan Schwarz, Christoph F. Mecklenbräuker

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप एक शोर-शराबे वाले, भीड़भाड़ वाले कमरे में अपने एक दोस्त से बातचीत करने की कोशिश कर रहे हैं।

समस्या: "फास्ट लेन" बनाम "स्लो लेन"
वायरलेस इंटरनेट की दुनिया में, हमारे पास दो मुख्य "लेन" हैं:

सब-6 GHz लेन: यह एक चौड़े, पुराने हाईवे की तरह है। यह कच्ची गति (raw speed) के मामले में थोड़ा धीमा है, लेकिन यह बहुत विश्वसनीय है। यह बाधाओं (जैसे दीवारों) के चारों ओर जा सकता है और आसानी से बाधित नहीं होता है।
मिलीमीटर वेव (mmWave) लेन: यह एक बिल्कुल नई, सुपर-हाई-स्पीड रेस ट्रैक है। यह भारी मात्रा में डेटा (जैसे 4K वीडियो या बड़े डाउनलोड) ले जा सकता है, लेकिन यह बहुत नाजुक है। यदि कोई एक व्यक्ति भी इसके सामने आ जाए, तो सिग्नल टूट जाता है।

दोनों तरफ के बेहतरीन लाभ उठाने के लिए, इंजीनियर चाहते हैं कि विश्वसनीय "हाईवे" का उपयोग नाजुक "रेस ट्रैक" को सही दिशा दिखाने के लिए किया जाए। वे धीमी लेन का उपयोग तेज़ लेन को ठीक से यह बताने के लिए करना चाहते हैं कि उसे कहाँ निशाना साधना है ताकि वह बाधित न हो।

चुनौती: एंटेना को स्टैक करना (एक के ऊपर एक रखना)
इस टीमवर्क को सफल बनाने के लिए, दोनों लेन के एंटेना को बिल्कुल एक-दूसरे के बगल में होना चाहिए और उन्हें बिल्कुल एक ही दिशा में देखना चाहिए। यह एक नेविगेटर (सब-6 GHz एंटीना) के ठीक पीछे ड्राइवर (mmWave एंटीना) के खड़े होकर निर्देश चिल्लाने जैसा है।

लेकिन यहाँ एक पेंच है: यदि आप mmWave एंटीना जैसी एक बड़ी धातु की वस्तु को नेविगेटर के ठीक सामने रखते हैं, तो आप अनजाने में नेविगेटर का दृश्य बाधित कर सकते हैं या उसकी आवाज़ को खराब कर सकते हैं। एंटीना की शब्दावली में, mmWave संरचना सब-6 GHz एंटीना के सिग्नल की गुणवत्ता को बिगाड़ सकती है।

प्रयोग: "शैडो" (परछाई) टेस्ट
इस शोध पत्र के लेखकों यह जानना चाहते थे: यदि हम इन एंटेना को एक के ऊपर एक रखते हैं, तो क्या बड़ा mmWave एंटीना एक बुरी परछाई की तरह काम करता है जो सब-6 GHz सिग्नल को खराब कर देता है?

उन्होंने एक मॉडल बनाया जहाँ उन्होंने एक "mmWave एंटीना" (जो वास्तव में धातु के पैटर्न वाली एक सपाट बोर्ड है) को एक "सब-6 GHz एंटीना" के ठीक सामने रखा। उन्होंने इसका परीक्षण दो तरीकों से किया:

कंप्यूटर सिमुलेशन: एक फ्लाइट सिम्युलेटर की तरह, उन्होंने भौतिकी (physics) को मॉडल किया ताकि देखा जा सके कि क्या होगा।
वास्तविक लैब परीक्षण: उन्होंने अपने लैब में वास्तविक एंटीना बनाए और विशेष उपकरणों के साथ सिग्नलों को मापा।

परिणाम: एक मिलनसार पड़ोसी
परिणाम आश्चर्यजनक रूप से अच्छी खबर थे!

नेविगेटर ठीक है: जब उन्होंने mmWave एंटीना को सब-6 GHz एंटीना के सामने रखा, तो सब-6 GHz सिग्नल ने इसे लगभग न के बराबर महसूस किया। यह चिल्लाने वाले व्यक्ति के सामने कांच की एक पतली, पारदर्शी शीट रखने जैसा था; आवाज़ लगभग वैसी ही बाहर आई। सिग्नल स्ट्रेंथ में बहुत मामूली, लगभग न दिखने वाली गिरावट आई (0.25 dB से भी कम)।
ड्राइवर को मिला बढ़ावा: दिलचस्प बात यह है कि जब उन्होंने mmWave एंटीना को देखा, तो उसके पीछे स्थित सब-6 GHz एंटीना ने वास्तव में मदद की! इसने एक बैकस्टॉप या दर्पण की तरह काम किया। mmWave सिग्नल पीछे की ओर लीक होने (ऊर्जा बर्बाद करने) के बजाय, सब-6 GHz एंटीना ने इसे आगे की ओर परावर्तित (reflect) कर दिया। इसने mmWave सिग्नल को और भी मजबूत और केंद्रित बना दिया।

बड़ी सीख
इसे गेंद पास करने के लिए एक लाइन में खड़े दो लोगों के रूप में सोचें। आपको डर हो सकता है कि आगे वाला व्यक्ति पीछे वाले को रोक देगा। यह शोध पत्र सिद्ध करता है कि यदि आप उन्हें सही ढंग से डिज़ाइन करते हैं, तो आगे वाला व्यक्ति पीछे वाले को बिल्कुल भी नहीं रोकता है। वास्तव में, पीछे वाला व्यक्ति सामने वाले को गेंद को और अधिक सीधा फेंकने में मदद करता है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है
यह खोज भविष्य के 6G और उन्नत 5G नेटवर्क के लिए एक ग्रीन लाइट है। इसका मतलब है कि इंजीनियर बिना इस चिंता के कि वे एक-दूसरे के प्रदर्शन को खराब करेंगे, इन अलग-अलग प्रकार के एंटेना को एक ही डिवाइस (जैसे आपका फोन या सेल टॉवर) पर सुरक्षित रूप से स्टैक कर सकते हैं। हम अंततः हमें तेज़, अधिक स्थिर इंटरनेट देने के लिए "रेस ट्रैक" की गति को "हाईवे" की विश्वसनीयता के साथ जोड़ सकते हैं।

यहाँ शोध पत्र "Multi-Band Patch Antenna Array for Out-of-Band Aided Millimeter Wave Communication" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

भविष्य की वायरलेस संचार प्रणालियाँ उच्च डेटा दर की मांगों को पूरा करने के लिए sub-6 GHz और मिलीमीटर वेव (mmWave) फ्रीक्वेंसी बैंड को एकीकृत करने का लक्ष्य रखती हैं। एक प्रमुख रणनीति sub-6 GHz बैंड (जिसमें बेहतर प्रसार विशेषताएँ होती हैं) से विश्वसनीय आउट-ऑफ-बैंड सूचना (out-of-band information) का उपयोग करके mmWave संचार में सहायता करना है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि दोनों प्रणालियाँ समान मल्टीपाथ प्रोपेगेशन प्रभावों का अनुभव करें, दोनों बैंडों के एंटीना एरे को सह-स्थित (co-located) और सटीक रूप से संरेखित (एक ही ज्यामितीय केंद्र साझा करते हुए) होना चाहिए। एक सामान्य हार्डवेयर कार्यान्वयन mmWave एरे को sub-6 GHz एरे के ठीक सामने रखता है। हालाँकि, यह विन्यास एक महत्वपूर्ण चिंता उत्पन्न करता है: क्या mmWave एंटीना संरचना की भौतिक उपस्थिति अंतर्निहित sub-6 GHz एरे के विकिरण गुणों (गेन, बीमविड्थ, पैटर्न) को कम करती है? यदि गिरावट महत्वपूर्ण है, तो ऐसे सह-स्थित डिज़ाइनों की व्यवहार्यता खतरे में पड़ जाती है।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखकों ने दोनों बैंडों के बीच आपसी युग्मन (mutual coupling) और हस्तक्षेप का मूल्यांकन करने के लिए फुल-वेव इलेक्ट्रोमैग्नेटिक सिमुलेशन और प्रायोगिक मापन (experimental measurements) के संयुक्त दृष्टिकोण का उपयोग किया।

एंटीना डिज़ाइन:
- संरचना: पैच एंटीना तत्वों के यूनिफॉर्म लीनियर एरेज़ (ULAs)।
- विन्यास (Configuration): mmWave एरे को sub-6 GHz एरे के सामने 10 mm की अंतर-एरे स्पेसिंग ( $h_a$ ) के साथ रखा गया है। दोनों एरे एक ही ज्यामितीय केंद्र साझा करते हैं।
- पैरामीटर्स:
  - Sub-6 GHz: 2.55 GHz कैरियर, RT-Duroid 5880 सबस्ट्रेट।
  - mmWave: 25.5 GHz कैरियर, RO4350B सबस्ट्रेट।
- वैलिडेशन: एकल sub-6 GHz पैच डिज़ाइन को ANSYS HFSS सिमुलेशन और वेक्टर नेटवर्क एनालाइज़र (VNA) का उपयोग करके भौतिक मापन के माध्यम से मान्य किया गया, जिसने लक्षित आवृत्ति से केवल 0.5% का रेजोनेंस विचलन दिखाया।
प्रायोगिक सेटअप:
- एकल तत्व विश्लेषण: एक एकल sub-6 GHz पैच का परीक्षण विभिन्न आकारों (8, 16, और 32 तत्वों) के mmWave एरे के साथ किया गया, जिन्हें इसके सामने रखा गया था।
- मापन तकनीक: फील्ड-पैटर्न मापन एक एनिकोइक चैंबर (anechoic chamber) में किया गया। सक्रिय ट्रांसमिशन के बिना mmWave एरे को सिम्युलेट करने के लिए, अनएच्ड (unetched) प्रिंटेड सर्किट बोर्ड्स (PCBs) का उपयोग पैसिव ब्लॉकर के रूप में किया गया, जिनमें mmWave एरे के आयामों के अनुरूप कॉपर क्लैडिंग थी।
- एरे विश्लेषण: सिमुलेशन को पूर्ण एरे (8-तत्वों वाला sub-6 GHz ULA बनाम विभिन्न mmWave ULAs) और इसके विपरीत परिदृश्य (mmWave एरे जो sub-6 GHz एरे से प्रभावित है) तक विस्तारित किया गया।

3. मुख्य योगदान (Key Contributions)

व्यवहार्यता सत्यापन: यह शोध पत्र प्रमाणिक साक्ष्य प्रदान करता है कि mmWave और sub-6 GHz पैच एरे को सह-स्थित करना नगण्य प्रदर्शन गिरावट (negligible performance degradation) के साथ संभव है।
व्यापक मूल्यांकन: यह दो दृष्टिकोणों से प्रभाव का विश्लेषण करता है:
1. sub-6 GHz विकिरण पैटर्न पर mmWave संरचना का प्रभाव।
2. mmWave विकिरण पैटर्न पर sub-6 GHz संरचना का प्रभाव।
हार्डवेयर यथार्थवाद: अध्ययन सिमुलेशन के साथ-साथ मैन्युफैक्चरिंग टॉलरेंस, सबस्ट्रेट वेरिएशंस और भौतिक मापन डेटा को शामिल करके सैद्धांतिक मॉडलों से आगे बढ़ता है।

4. मुख्य परिणाम (Key Results)

A. Sub-6 GHz पर mmWave का प्रभाव (प्राथमिक फोकस)

एकल तत्व:
- गेन में गिरावट (Gain Degradation): mmWave एरे की उपस्थिति के कारण अधिकतम रियलाइज्ड गेन में केवल 0.12 dB (सिमुलेशन) और 0.25 dB (मापन) की कमी आई।
- बीमविड्थ: हाफ-पावर बीमविड्थ (HPBW) काफी हद तक स्थिर रही। E-प्लेन में, यह 68° पर रही (सिम) या थोड़ा गिरकर 75° से 71° हो गई (मापन, ~5% की कमी)। H-प्लेन में, परिवर्तन न्यूनतम (64° से 62°) थे।
- निष्कर्ष: sub-6 GHz आवृत्तियों पर इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरैक्शन न्यूनतम है।
पूर्ण एरे (8-तत्व वाला Sub-6 GHz ULA):
- गेन में गिरावट: मुख्य-लोब गेन में अधिकतम कमी लगभग 0.15 dB थी।
- बीमविड्थ: E-प्लेन HPBW 68° से घटकर 66° (3%) हो गई, H-प्लेन अपरिवर्तित 12° रहा।

B. mmWave पर Sub-6 GHz का प्रभाव (विपरीत परिदृश्य)

गेन: sub-6 GHz एरे की उपस्थिति के कारण mmWave एरे के गेन में मामूली कमी आई (15.16 dBi से 15.08 dBi)।
बैक-लोब सप्रेशन (Back-Lobe Suppression): महत्वपूर्ण रूप से, sub-6 GHz एरे ने mmWave एरे के लिए एक अतिरिक्त ग्राउंड प्लेन के रूप में कार्य किया। इसने बैक-लोब रेडिएशन को प्रभावी ढंग से दबा दिया, जिससे स्तर -3.4 dBi से -7.5 dBi तक कम हो गया, जिससे mmWave सिस्टम का समग्र विकिरण प्रदर्शन सुधर गया।

5. महत्व और निष्कर्ष (Significance and Conclusion)

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि आउट-ऑफ-बैंड समर्थित संचार प्रणालियों के लिए सह-स्थित (co-located) sub-6 GHz और mmWave ULA विन्यास अत्यधिक व्यवहार्य हैं।

प्रदर्शन: आपसी हस्तक्षेप नगण्य है, जिसमें गेन लॉस 0.3 dB से काफी कम है, जो व्यावहारिक तैनाती के लिए स्वीकार्य है।
लाभ: sub-6 GHz एरे न केवल आउट-ऑफ-बैंड सूचना के माध्यम से mmWave सिस्टम को सपोर्ट करता है, बल्कि बैक-लोब रेडिएशन को दबाकर mmWave एरे की डायरेक्टिविटी में भी शारीरिक रूप से सुधार करता है।
भावी कार्य: लेखक इस विश्लेषण को यूनिफॉर्म प्लानर एरेज़ (UPAs) तक विस्तारित करने का सुझाव देते हैं ताकि दो-आयामी एंटीना संरचनाओं में रेडिएशन प्रभावों का आकलन किया जा सके, जो आधुनिक मैसिव MIMO सिस्टम में आम हैं।

यह शोध अगली पीढ़ी के मल्टी-बैंड 5G/6G सिस्टम के लिए आवश्यक हार्डवेयर आर्किटेक्चर को प्रमाणित करता है, यह सुनिश्चित करता है कि विविध फ्रीक्वेंसी बैंड का भौतिक एकीकरण सिस्टम की विश्वसनीयता से समझौता नहीं करता है।