A Novel RF MEMS Switch Based Tunable Broadband 2-Bit Phase Shifter for Radar Applications

रेडियो तरंगों की अदृश्य दुनिया में, जो हमारे रडार संकेतों और वायरलेस डेटा को ले जाती है, ऊर्जा की एक बीम को निर्देशित करना एक मौलिक चुनौती है। कल्पना कीजिए कि आप बिना अपना हाथ हिलाए एक टॉर्च की रोशनी को किसी खास दिशा में केंद्रित करने की कोशिश कर रहे हैं; आपको प्रकाश तरंगों के समय (timing) को इस तरह बदलना होगा कि वे सभी एक विशिष्ट स्थान पर बिल्कुल एक साथ पहुँचें, जिससे एक नई दिशा में एक केंद्रित बीम बन सके। यही काम एक 'फेज शिफ्टर' (phase shifter) का है, जो एक छोटा इलेक्ट्रॉनिक घटक है जो बीम को दिशा देने के लिए सिग्नल में थोड़ा सा विलंब (delay) पैदा करता है। दशकों से, इंजीनियर इस कार्य को करने के लिए डायोड और ट्रांजिस्टर जैसे सॉलिड-स्टेट उपकरणों पर निर्भर रहे हैं। हालाँकि ये घटक तेजी से स्विच करते हैं, लेकिन वे आधुनिक रडार और सैटेलाइट सिस्टम द्वारा उपयोग की जाने वाली उच्च आवृत्तियों (high frequencies) पर संघर्ष करते हैं, क्योंकि वे अक्सर सिग्नल की बहुत अधिक शक्ति को सोख लेते हैं और ऐसी त्रुटियां पैदा करते हैं जो छवि को धुंधला कर देती हैं।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने माइक्रो-मैकेनिकल स्विचों की ओर रुख किया है, जो चिप पर बने छोटे चलते हुए हिस्से हैं जो रेडियो तरंगों के लिए भौतिक द्वारों (gates) की तरह कार्य करते हैं। ये उपकरण सिग्नल के लिए एक बहुत ही स्वच्छ मार्ग प्रदान करते हैं, जिससे बहुत कम ऊर्जा नष्ट होती है। हालाँकि, एक बड़ी बाधा अभी भी बनी हुई है: पारंपरिक मैकेनिकल स्विच केवल एक विशिष्ट आवृत्ति पर काम करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। यदि रडार को आवृत्तियों की एक श्रृंखला को स्कैन करने की आवश्यकता है, तो स्विच अप्रभावी हो जाता है, जिससे इंजीनियरों को विभिन्न बैंडों को कवर करने के लिए जटिल और भारी सिस्टम बनाने के लिए मजबूर होना पड़ता है। इस सीमा ने इन कुशल, कम-क्षय (low-loss) वाले स्विचों की पूर्ण क्षमता को कई उन्नत अनुप्रयोगों की पहुंच से दूर रखा है जिनमें लचीलेपन की आवश्यकता होती है।

भारत के सीएसआईआर-सेंट्रल इलेक्ट्रॉनिक्स इंजीनियरिंग रिसर्च इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया डिज़ाइन प्रस्तावित किया है जो इस अंतर को पाटता है। उन्होंने एक ट्यूनेबल फेज शिफ्टर बनाया है जो एक मैकेनिकल स्विच की दक्षता को एक वेरिएबल कैपेसिटर (variable capacitor) के लचीलेपन के साथ जोड़ता है, जिससे यह डिवाइस एक एकल आवृत्ति के बजाय आवृत्तियों की एक श्रृंखला में काम करने में सक्षम होता है। उनका कार्य, जो हाल ही के एक अध्ययन में विस्तृत है, एक 2-बिट फेज शिफ्टर पर केंद्रित है, जो एक ऐसा उपकरण है जो चार अलग-अलग सिग्नल विलंब (delays) उत्पन्न करने में सक्षम है, जो आधुनिक सिस्टम में रडार बीमों को निर्देशित करने के लिए एक मानक आवश्यकता है।

उनके नवाचार का मूल एक हाइब्रिड डिज़ाइन में निहित है। केवल सिग्नल विलंब बनाने के लिए तार की निश्चित लंबाई पर निर्भर रहने के बजाय, शोधकर्ताओं ने एक विशेष घटक जिसे 'वेरैक्टर' (varactor) कहा जाता है, को स्विचिंग तंत्र में एकीकृत किया है। सरल शब्दों में, एक वेरैक्टर एक ट्यूनेबल कैपेसिटर की तरह कार्य करता है, जो एक ऐसा उपकरण है जो विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत कर सकता है और वोल्टेज लागू करने पर अपने गुणों को बदल सकता है। एक विशिष्ट प्रकार के मैकेनिकल स्ट्रक्चर का उपयोग करके जिसे 'टॉर्सनल कॉन्फ़िगरेशन' (torsional configuration) कहा जाता है—जहाँ चलता हुआ हिस्सा केवल ऊपर-नीचे उठने के बजाय मुड़ता (twist) है—वे एक ऐसा वेरैक्टर बनाने में सक्षम हुए जिसका एक विस्तृत समायोजन रेंज था। यह घुमाव (twist) डिवाइस को सिग्नल पथ की प्रभावी विद्युत लंबाई को बदलने की अनुमति देता है, जिससे प्रभावी रूप से पूरे सिस्टम को चलते-फिरते (on the fly) ट्यून किया जा सकता है।

शोधकर्ताओं ने अपने डिज़ाइन का परीक्षण करने के लिए एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाने से पहले उन्नत कंप्यूटर मॉडलिंग का उपयोग करके सिमुलेशन किया। उन्होंने एक पारंपरिक डिज़ाइन से शुरुआत की जिसे 27 गीगाहर्ट्ज़ (gigahertz) की आवृत्ति के लिए बनाया गया था, जो रडार अनुप्रयोगों के लिए एक सामान्य बैंड है। एक मानक सेटअप में, सिग्नल 0, 90, 180, या 270 डिग्री के विलंब प्राप्त करने के लिए ट्रांसमिशन लाइनों की विभिन्न लंबाई के माध्यम से यात्रा करता है। टीम ने पाया कि जबकि यह ठीक 27 गीगाहर्ट्ज़ पर अच्छी तरह काम करता था, आवृत्ति बदलने पर इसका प्रदर्शन तेजी से गिर जाता है। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने संरचना में अपना एकल MEMS वेरैक्टर जोड़ा।

सिमुलेशन के परिणाम उत्साहजनक थे। वेरैक्टर के ब्रिज की ऊंचाई को समायोजित करके, शोधकर्ता फेज शिफ्टर की ऑपरेटिंग फ्रीक्वेंसी को बदल सकते थे। उन्होंने प्रदर्शित किया कि डिवाइस 25.3 गीगाहर्ट्ज़ से 27.3 गीगाहर्ट्ज़ के बीच कहीं भी प्रभावी ढंग से काम करने के लिए ट्यून किया जा सकता है। यह रेंज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह एक एकल घटक को बिना बदले या यांत्रिक रूप से समायोजित किए, रडार संकेतों के एक व्यापक स्पेक्ट्रम को संभालने की अनुमति देती है। इसके अलावा, डिवाइस ने इस रेंज में अपनी दक्षता बनाए रखी। सिमुलेशन ने केवल -0.5 डेसिबल का 'इंसर्शन लॉस' (insertion loss) दिखाया, जिसका अर्थ है कि सिग्नल गुजरते समय बहुत कम शक्ति खोता है, और लगभग -15 डेसिबल का 'रिटर्न लॉस' (return loss) दिखाया, जो यह दर्शाता है कि अधिकांश सिग्नल डिवाइस द्वारा स्वीकार किया गया है न कि वापस उछलकर आया है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनका डिज़ाइन वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए व्यवहार्य है, टीम ने उनके निर्माण प्रक्रिया का भी खाका तैयार किया। उन्होंने सिलिकॉन वेफर का उपयोग करके एक चरण-दर-चरण विधि का वर्णन किया, जो माइक्रोचिप्स के लिए एक मानक सामग्री है। इस प्रक्रिया में ऑक्साइड और पॉलिसिलिकॉन की परतें उगाना, इलेक्ट्रिकल पाथवे बनाने के लिए सोना जमा करना, और स्विचों के लिए आवश्यक मोटे, मजबूत सोने के ढांचे बनाने के लिए 'इलेक्ट्रोप्लेटिंग' नामक तकनीक का उपयोग करना शामिल है। एक महत्वपूर्ण चरण में एक अस्थायी 'सैक्रिफिशियल लेयर' (sacrificial layer) को हटाना शामिल है ताकि चलते हुए हिस्सों को मुक्त किया जा सके, जिसके बाद एक विशेष सुखाने की प्रक्रिया शामिल है ताकि छोटे बीम सतह से चिपक न जाएं। यह फैब्रिकेशन योजना दिखाती है कि इस डिवाइस को सेमीकंडक्टर निर्माण की स्थापित तकनीकों का उपयोग करके बनाया जा सकता है।

यह अध्ययन इंजीनियरिंग के एक सूक्ष्म संतुलन को उजागर करता है। हालांकि अधिक वेरैक्टर जोड़ने से सैद्धांतिक रूप से और भी व्यापक ट्यूनिंग रेंज मिल सकती है, शोधकर्ताओं ने नोट किया कि ऐसा करने से इलेक्ट्रिकल कैपेसिटेंस बढ़ जाएगा, जिससे सिग्नल का नुकसान भी बढ़ जाएगा। उनका समाधान एक एकल, अच्छी तरह से अनुकूलित (optimized) वेरैक्टर का उपयोग करना है, जो एक व्यावहारिक मध्य मार्ग प्रदान करता है, जो रडार अनुप्रयोगों की जरूरतों को पूरा करने के लिए एक ट्यून करने योग्य रेंज प्रदान करता है और साथ ही सिग्नल लॉस को कम रखता है। वेरैक्टर का टॉर्सनल डिज़ाइन उनकी सफलता की कुंजी था, क्योंकि इसने पारंपरिक डिज़ाइनों की तुलना में चलते हुए हिस्से के लिए एक बड़ा ट्रैवल रेंज प्रदान किया, जिससे फ्रीक्वेंसी ट्यूनिंग पर अधिक नियंत्रण मिला।

यह कार्य रडार और संचार प्रणालियों को अधिक अनुकूल बनाने की दिशा में एक कदम है। यह साबित करके कि एक मैकेनिकल स्विच अपनी फ्रीक्वेंसी को स्वयं ट्यून कर सकता है, शोधकर्ताओं ने एक सरल, कम-क्षय वाला विकल्प पेश किया है जो वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले भारी, बहु-घटक सिस्टम का विकल्प है। सिमुलेशन बताते हैं कि यह दृष्टिकोण अधिक सटीकता के साथ आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला को स्कैन करने में सक्षम, अधिक कॉम्पैक्ट और कुशल रडार सिस्टम की ओर ले जा सकता है। हालांकि डिवाइस का अभी तक लाइव रडार वातावरण में भौतिक परीक्षण नहीं किया गया है, लेकिन विस्तृत मॉडलिंग और फैब्रिकेशन रोडमैप भविष्य के विकास के लिए एक मजबूत आधार प्रदान करते हैं, जो संभावित रूप से अगली पीढ़ी की बीम-स्टीयरिंग तकनीक को छोटा, तेज़ और अधिक ऊर्जा-कुशल बनाने में सक्षम बनाएंगे।