A Fully Reconfigurable RF Vector Modulator based Wideband Phase Shifter for NextG Beamforming Phased Array in Satellite Communications (SATCOM)

तकनीकी सारांश: नेक्स्टजी (NextG) बीमफॉर्मिंग फेज़्ड एरे के लिए सैटेलाइट संचार में एक पूर्णतः पुनर्गठनीय RF वेक्टर मॉड्यूलेटर-आधारित वाइडबैंड फेज़ शिफ्टर

समस्या विवरण
नॉन-जियोस्टेशनरी सैटेलाइट नक्षत्रों (जैसे स्टारलिंक, कुइपर) की तीव्र तैनाती के लिए उन्नत बीमफॉर्मिंग फेज़्ड एरे की आवश्यकता है, जो स्पेक्ट्रल दक्षता और सिस्टम क्षमता को अधिकतम करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक बीम-स्टीयरिंग करने में सक्षम हों। जबकि पारंपरिक फेज़्ड एरे आमतौर पर एकल-बैंड संचालन (जैसे Ku-, K-, या Ka-बैंड) के लिए अनुकूलित होते हैं, 6G नेक्स्टजी (NextG) प्रणालियों का उदय एक महत्वपूर्ण चुनौती पेश करता है: 7.125 GHz से 24.25 GHz (FR-3) और उससे आगे तक विस्तृत वाइडबैंड संचालन की आवश्यकता।

मौजूदा फेज़ शिफ्टर तकनीकें इस वाइडबैंड संदर्भ में विशिष्ट सीमाओं का सामना करती हैं। स्विच्ड-लाइन और लोडेड-लाइन फेज़ शिफ्टर्स मध्यम ट्यूनिंग रेंज और मोटे रिज़ॉल्यूशन (coarse resolution) की पेशकश करते हैं। ट्रू टाइम डिले (TTD) मॉड्यूल, हालांकि बीम-स्क्विंटिंग को रोकने में प्रभावी हैं, लेकिन वे उच्च इंसर्शन लॉस, डिस्क्रीट डिले रिज़ॉल्यूशन और जटिल कैलिब्रेशन आवश्यकताओं से ग्रस्त हैं। पारंपरिक इन-फेज़ और क्वाड्रचर (I-Q) वेक्टर मॉड्यूलेटर निरंतर चरण नियंत्रण प्रदान करते हैं, लेकिन वे 90° फेज़ शिफ्ट उत्पन्न करने के लिए क्वाड्रचर ऑल-पास फ़िल्टरिंग (QAF) नेटवर्क या हाइब्रिड कपलर पर निर्भर करते हैं। ये पारंपरिक घटक सीमित बैंडविड्थ, आवृत्ति-निर्भर आयाम/चरण असंतुलन और अत्यधिक हानि प्रदर्शित करते हैं, जो आधुनिक सैटेलाइट संचार (SATCOM) के लिए आवश्यक व्यापक S-बैंड से Ku-बैंड स्पेक्ट्रम में प्रदर्शन को खराब कर देते हैं।

कार्यप्रणाली
इन बाधाओं को दूर करने के लिए, लेखक एक नवीन ट्रांसवर्सल मल्टी-ब्रांच फिक्स्ड इम्पल्स रिस्पांस (FIR) नेटवर्क टोपोलॉजी का उपयोग करते हुए एक पूर्णतः पुनर्गठनीय RF वेक्टर मॉड्यूलेटर (RFVM)-आधारित फेज़ शिफ्टर प्रस्तावित करते हैं। यह डिज़ाइन पारंपरिक I-Q मॉड्यूलेशन से अलग है क्योंकि यह पूरी तरह से QAF नेटवर्क से बचता है।

मुख्य कार्यप्रणाली के निम्नलिखित चरण हैं:

1. ट्रांसवर्सल FIR टोपोलॉजी: RF इनपुट सिग्नल को कई शाखाओं (ट्रांसवर्सल सेक्शन) में विभाजित किया जाता है। प्रत्येक शाखा व्यक्तिगत गेन वेटिंग (gain weightings) और विशिष्ट समय विलंब (time delays) लागू करती है। आउटपुट को सिंथेसाइज करने के लिए सिग्नल को फिर से जोड़ा जाता है।
2. दोहरा-मार्ग सिग्नल प्रसार (Dual-Route Signal Propagation): सिंगल-चेन FIR प्रतिनिधित्व के विपरीत, प्रस्तावित RFVM एक डुअल-रूट आर्किटेक्चर (रूट 1 और रूट 2) का उपयोग करता है। इनपुट सिग्नल को दो पूरक प्रसारित मार्गों में विभाजित किया जाता है जो पुनर्संयोजन से पहले समान भारित विलंब शाखाओं (weighted delay branches) से गुजरते हैं।
3. सामान्यीकृत चरण नियंत्रण (Generalized Phase Control): सिस्टम एक सामान्यीकृत ट्रांसफर फंक्शन पेश करता है जिसे दो नियंत्रण मापदंडों द्वारा परिभाषित किया गया है: एक निरंतर चरण-ट्यूनिंग कारक ($\alpha$) और एक डिस्क्रीट कोणीय-ध्रुवीयता चयनकर्ता ($\gamma$)। इन मापदंडों में हेरफेर करके, सिस्टम चार चतुर्थांशों (quadrants) में निरंतर 360° फेज़ शिफ्टिंग प्राप्त करता है।
4. गुणांक संश्लेषण (Coefficient Synthesis): ब्रांच-गेन वितरण एक डिस्क्रीट फूरियर सीरीज़ विस्तार से प्रेरित विषम-हार्मोनिक गुणांक नियम का पालन करता है। प्रभावी गुणांकों को वांछित परिमाण प्रतिक्रिया (magnitude response) के फूरियर प्रोजेक्शन से प्राप्त किया जाता है, जिससे वांछित फेज़ अवस्था का संश्लेषण करते हुए परिमाण प्रतिक्रिया को संरक्षित किया जा सके।
5. सर्किट कार्यान्वयन: हार्डवेयर कार्यान्वयन में तीन कार्यात्मक मॉड्यूल शामिल हैं: सिग्नल विभाजन (वाइडबैंड बालुन्स और विल्किंसन पावर डिवाइडर का उपयोग करके), सिग्नल मॉड्यूलेशन (विशिष्ट डिले पाथ के माध्यम से सिग्नल को रूट करने के लिए वेरिएबल गेन एम्पलीफायर और SPDT स्विच का उपयोग करके), और सिग्नल पुनर्संयोजन।

प्रमुख परिणाम और प्रदर्शन
पेपर एक 5-ब्रांच (N=2) RFVM कार्यान्वयन के लिए सैद्धांतिक विश्लेषण और व्युत्पन्न फ्रीक्वेंसी रिस्पॉन्स प्रस्तुत करता है:

• वाइडबैंड कवरेज: डिज़ाइन S-बैंड से लेकर Ku-बैंड (2 GHz से 18 GHz) तक की फ्रीक्वेंसी रेंज को लक्षित करता है।
• फेज़ शिफ्टिंग क्षमता: सैद्धांतिक विश्लेषण चार चयन योग्य चतुर्थांशों (Q1: 0°–90°, Q2: 90°–180°, Q3: -180°–-90°, Q4: -90°–0°) में विभाजित पूर्ण 360° फेज़ शिफ्टिंग की क्षमता प्रदर्शित करता है।
• परिमाण संरक्षण (Magnitude Preservation): प्रभावी बैंडविड्थ के भीतर, सैद्धांतिक मॉडल इंगित करता है कि डिज़ाइन परिमाण प्रतिक्रिया बनाए रखता है। 20 GHz के केंद्र फ्रीक्वेंसी और 500 MHz से कम के इंस्टेंटेनियस बैंडविड्थ (IBW) (जो कि विशिष्ट SATCOM के लिए है) के लिए, अधिकतम इन-बैंड परिमाण विचलन ($\Delta\delta_{mag}$) 1.18 dB तक सीमित है, और फेज़ विचलन ($\Delta\delta_{ph}$) 3.9° तक सीमित है।
• स्केलेबिलिटी (Scalability): विश्लेषण इंगित करता है कि टैप पेयर्स (N) की संख्या बढ़ाने से इन-बैंड RMS विचलन और रिंगिंग प्रभाव (गिब्स घटना/Gibbs phenomenon) कम हो जाते हैं, जिससे यह व्यापक प्रभावी बैंडविड्थ के साथ एक आदर्श स्क्वायर वेव रिस्पॉन्स के करीब पहुँच जाता है।

महत्व और दावे
लेखकों का दावा है कि यह कार्य वाइडबैंड फेज़ शिफ्टिंग के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है जो पारंपरिक क्वाड्रचर जनरेशन विधियों की आवृत्ति सीमाओं को कम करता है। एक ट्रांसवर्सल FIR नेटवर्क के साथ डिफरेंशियल सिग्नल रूपांतरण का उपयोग करके, प्रस्तावित RFVM उन बैंडविड्थ सीमाओं और हानियों से बचता है जो QAF नेटवर्क और हाइब्रिड कपलर से जुड़ी होती हैं।

यह पेपर इस डिज़ाइन को नेक्स्टजी (6G) SATCOM सिस्टम के लिए एक महत्वपूर्ण इनेबलर के रूप में स्थापित करता है, जो पारंपरिक I-Q मॉड्यूलेटरों में आयाम असंतुलन और चरण त्रुटियों के कारण होने वाले प्रदर्शन क्षरण के बिना, वाइड स्पेक्ट्रम बैंड में चुस्त, निरंतर बीम-स्टीयरिंग की आवश्यकता को संबोधित करता है। लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि प्रस्तावित टोपोलॉजी फेज़्ड एरे सिस्टम में वास्तविक समय के वाइडबैंड RF सिग्नल प्रोसेसिंग के लिए एक लचीला समाधान प्रदान करती है। भविष्य के कार्य के रूप में ओवर-द-एयर (OTA) सिस्टम-लेवल मूल्यांकन के लिए इस RFVM को एक वाइडबैंड बीमफॉर्मिंग ट्रांससीवर लिंक में एकीकृत करने की पहचान की गई है।