UWB THz Reflective-type Linear-to-Circular Polarization Converter using Anisotropic Metallic Grating Embedded in TOPAS Material

वायरलेस संचार की अदृश्य दुनिया में, सिग्नल जिस तरह से यात्रा करते समय घूमता है, वह सिग्नल के स्वयं होने जितना ही महत्वपूर्ण है। यह "घूर्णन" (spin), जिसे ध्रुवीकरण (polarization) कहा जाता है, यह निर्धारित करता है कि एक तरंग एंटीना और सामग्रियों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। दशकों से, इंजीनियर इस घूर्णन को नियंत्रित करने के लिए संघर्ष कर रहे हैं, विशेष रूप से उन बहुत उच्च आवृत्तियों (frequencies) पर जिनका उपयोग भविष्य के अल्ट्रा-फास्ट नेटवर्क के लिए किया जाता है। किसी तरंग के घूर्णन को बदलने के पारंपरिक तरीकों के लिए अक्सर भारी उपकरणों या सिग्नल के यात्रा करने के लंबे पथों की आवश्यकता होती है, जो कल के कॉम्पैक्ट, उच्च गति वाले उपकरणों के लिए अव्यवहारिक है। एक नया दृष्टिकोण मेटासरफेस (metasurfaces) का उपयोग करता है, जो कृत्रिम रूप से इंजीनियर की गई ऐसी चादरें हैं जिनमें सूक्ष्म पैटर्न होते हैं जो प्रकाश और रेडियो तरंगों को उन तरीकों से मोड़ और घुमा सकते हैं जो प्रकृति में नहीं मिलते। ये सपाट सतहें ऐसे कॉम्पैक्ट उपकरणों का मार्ग प्रशस्त करती हैं जो अत्यधिक सटीकता के साथ तरंगों का हेरफेर कर सकते हैं, जिससे बेहतर रडार, स्पष्ट इमेजिंग और तेज़ डेटा ट्रांसमिशन के द्वार खुलते हैं।

ज़ंजन विश्वविद्यालय, ईरान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जिसमें एक प्रकार की नई सपाट सतह को डिजाइन किया गया है जो एक सीधी रेखा वाले सिग्नल को आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में घूमने वाले सिग्नल में बदलने में सक्षम है। उनका कार्य टेराहरत्ज़ (terahertz) बैंड पर केंद्रित है, जो विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम का एक ऐसा क्षेत्र है जो माइक्रोवेव और इन्फ्रारेड प्रकाश के बीच स्थित है। यह बैंड अगली पीढ़ी के संचार प्रणालियों के लिए अत्यधिक वांछित है क्योंकि यह भारी मात्रा में डेटा ले जा सकता है, लेकिन इसके साथ काम करना कठिन भी है क्योंकि बहुत कम प्राकृतिक सामग्रियां इसके प्रति अच्छी प्रतिक्रिया देती हैं। शोधकर्ताओं ने एक परावर्तक (reflective) उपकरण बनाया है जो एक विशेष दर्पण की तरह कार्य करता है। केवल सिग्नल को वापस उछालने के बजाय, यह दर्पण एक दिशा में कंपन करने वाली तरंग को पकड़ता है और उसे एक गोलाकार रूप में घूमने वाली तरंग के रूप में वापस परावर्तित करता है। यह रूपांतरण महत्वपूर्ण है क्योंकि कई उन्नत प्रणालियाँ, जैसे कि उपग्रह लिंक और रडार, सिग्नल की शक्ति खोए बिना विश्वसनीय रूप से कार्य करने के लिए सर्कुलरली पोलराइज्ड (circularly polarized) तरंगों पर निर्भर करती हैं।

यह उपकरण स्वयं एक स्तरित संरचना (layered structure) है जिसे उन सामग्रियों से बनाया गया है जिन्हें इन उच्च आवृत्तियों को संभालने की क्षमता के लिए चुना गया है। इसके आधार पर सोने की एक ठोस शीट है, जो एक पूर्ण परावर्तक के रूप में कार्य करती है। इसके ऊपर 'TOPAS' नामक एक स्पष्ट प्लास्टिक सामग्री की एक परत है, जो टेराहरत्ज़ तरंगों के लिए पारदर्शी होने और बहुत कम सिग्नल हानि के लिए जानी जाती है। इस प्लास्टिक परत के भीतर सोने की रेखाओं का एक पैटर्न वाला ग्रिड लगा हुआ है। यह ग्रिड एक साधारण जाल नहीं है; यह एक एनिसोट्रोपिक (anisotropic) ग्रेटिंग है, जिसका अर्थ है कि इसकी विशेषताएं इस बात पर बदल जाती हैं कि आप किस दिशा में देखते हैं। शोधकर्ताओं ने ग्रिड को विशिष्ट, दोहराते हुए सूक्ष्म धात्विक आकारों के पैटर्न के साथ डिजाइन किया है जो एक कोण पर घूमते हैं। जब कोई सिग्नल इस सतह से टकराता है, तो ग्रिड तरंग के उन हिस्सों के साथ अलग तरह से परस्पर क्रिया करता है जो विभिन्न दिशाओं में संरेखित होते हैं। यह परस्पर क्रिया दो भागों के बीच एक विलंब (delay) पैदा करती है, जिससे वे सतह से परावर्तित होते समय एक घूमने वाली गति में संयोजित होने के लिए मजबूर हो जाते हैं।

अपने डिजाइन का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए ताकि यह देखा जा सके कि उपकरण विभिन्न आवृत्तियों के एक विस्तृत स्पेक्ट्रम में कैसा व्यवहार करता है। उन्होंने पाया कि यह उपकरण एक अल्ट्रा-वाइडबैंड रेंज में असाधारण रूप से अच्छा काम करता है, जिसका अर्थ है कि यह केवल एक संकीर्ण चैनल के बजाय आवृत्तियों के एक विशाल विस्तार में प्रभावी ढंग से सिग्नल को परिवर्तित कर सकता है। अपने प्रारंभिक परीक्षणों में, उपकरण ने 5.3 से 19.65 टेराहरत्ज़ की सीमा में रैखिक संकेतों को सर्कुलर संकेतों में सफलतापूर्वक परिवर्तित किया। यह 115 प्रतिशत का एक भिन्नात्मक बैंडविड्थ (fractional bandwidth) दर्शाता है, जो यह मापता है कि केंद्र आवृत्ति के सापेक्ष परिचालन सीमा कितनी चौड़ी है। इसे समझने के लिए, उपकरण उस रेंज की तुलना में दोगुनी से अधिक चौड़ी आवृत्तियों को संभाल सकता है जिसके बीच में वह स्थित है। शोधकर्ताओं ने फिर डिजाइन को परिष्कृत किया, ग्रिड के आकार और प्लास्टिक की परतों की मोटाई को समायोजित किया ताकि 10 टेराहरत्ज़ से नीचे की आवृत्तियों के लिए प्रदर्शन को अनुकूलित किया जा सके। इस अनुकूलित अवस्था में, उपकरण ने 2.85 से 10.35 टेराहरत्ज़ की सीमा में अपना उच्च प्रदर्शन बनाए रखा, और इस निचली रेंज में भी 115 प्रतिशत का भिन्नात्मक बैंडविड्थ प्राप्त किया।

इस डिजाइन की एक महत्वपूर्ण विशेषता इसकी यह क्षमता है कि यह तब भी काम करता है जब सिग्नल सतह से सीधे न टकराकर तिरछा टकराता है। वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में, सिग्नल अक्सर विभिन्न कोणों से आते हैं, और कई उपकरण कोण बदलने पर सही ढंग से काम करने में विफल रहते हैं। शोधकर्ताओं ने अपने उपकरण का परीक्षण विभिन्न कोणों पर, केंद्र से 60 डिग्री तक के कोणों पर सिग्नल टकराने के सिमुलेशन के माध्यम से किया। परिणामों ने दिखाया कि उपकरण इन तीव्र कोणों पर भी एक साफ, घूमने वाला सिग्नल उत्पन्न करना जारी रखता है। यह स्थिरता व्यावहारिक उपयोग के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि इसका अर्थ है कि इस उपकरण का उपयोग उन प्रणालियों में किया जा सकता है जहाँ सिग्नल की दिशा बदल सकती है, जैसे कि चलते वाहनों या उपग्रहों में। पूरी संरचना उल्लेखनीय रूप से कॉम्पैक्ट है, जिसमें पैटर्न की दोहराने वाली इकाई सबसे कम आवृत्ति के तरंग दैर्ध्य (wavelength) का केवल एक छोटा सा हिस्सा है। यह छोटा आकार कई इकाइयों को जटिल कार्यों जैसे कि बिना किसी चलते हुए भाग के ऊर्जा की बीम को निर्देशित करने के लिए बड़ी सतहों में पैक करने की अनुमति देता है।

यह अध्ययन समान उपकरण बनाने के हालिया प्रयासों की तुलना इस नए डिजाइन से करता है। जबकि अन्य डिजाइनों ने चौड़ी बैंडविड्थ या अच्छे कोण प्राप्त किए हैं, वे अक्सर जटिल, बहु-स्तरीय संरचनाओं पर निर्भर करते हैं जिन्हें बनाना कठिन होता है। प्रस्तुत डिजाइन एक सरल, एकल-परत पैटर्न वाले ग्रिड का उपयोग करके एक व्यापक परिचालन रेंज और बेहतर कोण स्थिरता प्राप्त करता है। शोधकर्ता बताते हैं कि यह सरलता उपकरण को बनाना आसान और संभावित रूप से सस्ता बनाती है। सिमुलेशन पुष्टि करते हैं कि यह उपकरण अवांछित सिग्नल मोड को दबा सकता है, यह सुनिश्चित करते हुए कि केवल वांछित परावर्तित तरंग ही प्रसारित हो। नियंत्रण का यह स्तर सुझाव देता है कि यह उपकरण भविष्य की तकनीकों में एक प्रमुख घटक हो सकता है, जिसमें उन्नत रडार सिस्टम जिन्हें अपनी उपस्थिति छिपानी होती है, 6G नेटवर्क के लिए बीम-स्टीयरिंग एंटीना, और एयरोस्पेस एवं रक्षा के लिए परिष्कृत संचार प्रणालियाँ शामिल हैं। यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक साधारण धात्विक ग्रिड की ज्यामिति को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, टेराहरत्ज़ तरंगों के जटिल व्यवहार पर महारत हासिल करना संभव है, जिससे एक चुनौतीपूर्ण भौतिक घटना को कनेक्टिविटी के भविष्य के लिए एक विश्वसनीय उपकरण में बदला जा सकता है।