Design and Validation of Low Profile Quad-band Metamaterial Absorber for Shielding Technology for Higher Frequency Bands

हमारे चारों ओर व्याप्त इस अदृश्य दुनिया में, विद्युत चुम्बकीय तरंगों की एक निरंतर धारा हमारे वायरलेस संकेतों, रडार पल्स और डिजिटल डेटा को ले जाती है। हालाँकि यह अदृश्य ट्रैफ़िक आधुनिक जीवन के लिए आवश्यक है, लेकिन यह तब समस्या बन सकता है जब बहुत अधिक तरंगें सतहों से टकराकर वापस आती हैं या उपकरणों से बाहर निकलती हैं, जिससे ऐसा हस्तक्षेप (इंटरफेरेंस) पैदा होता है जो संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक्स को बाधित कर सकता है या सुरक्षा से समझौता कर सकता है। इसे प्रबंधित करने के लिए, इंजीनियर लंबे समय से भारी, मोटे पदार्थों पर निर्भर रहे हैं जो इन तरंगों को दूर परावर्तित करके उन्हें रोक देते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक दर्पण प्रकाश को परावर्तित करता है। हालाँकि, जैसे-जैसे तकनीक हल्के और पतले समाधानों की मांग कर रही है, एक अलग दृष्टिकोण उभर कर आया है: मेटा-मटेरियल्स (metamaterials)। ये प्राकृतिक पदार्थ नहीं हैं बल्कि सावधानीपूर्वक इंजीनियर की गई संरचनाएं हैं, जो अक्सर कागज की एक शीट जितनी पतली होती हैं, और जिन्हें विद्युत चुम्बकीय तरंगों के साथ इस तरह से अंतःक्रिया करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो प्रकृति में नहीं मिलता। ऊर्जा को केवल परावर्तित करने के बजाय, ये संरचनाएं इसे पकड़ने और ऊष्मा (हीट) में बदलने के लिए ट्यून की जा सकती हैं, जिससे प्रभावी रूप से तरंगें गायब हो जाती हैं। संकेतों को उछालने के बजाय उन्हें निगल लेने की यह क्षमता, उपकरणों की सुरक्षा करने और विद्युत चुम्बकीय शोर के शोरगुल को कम करने का एक शक्तिशाली नया तरीका प्रदान करती है।

भारत के राष्ट्रीय प्रौद्योगिकी संस्थान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस अवधारणा को लिया है और इसे एक विशिष्ट चुनौती पर लागू किया है: एक पतला, सपाट कवच बनाना जो आधुनिक वायरलेस प्रणालियों द्वारा उपयोग किए जाने वाले कई उच्च-आवृत्ति बैंडों में काम कर सके। उन्होंने एक छोटा, वर्गाकार टाइल डिज़ाइन किया, जो लगभग एक डाक टिकट के आकार का है, और जो संकेंद्रित अष्टकोणीय (concentric octagons) और विभाजित रिंगों (split rings) के पैटर्न से ढका हुआ है। जब उन्होंने इस टाइल का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह चार विशिष्ट आवृत्तियों पर विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा के लिए एक अत्यधिक कुशल स्पंज की तरह कार्य करता है, विशेष रूप से X, Ku और K बैंड को लक्षित करता है। ये स्पेक्ट्रम की वे रेंज हैं जिनका उपयोग उपग्रह संचार और रडार से लेकर हाई-स्पीड वायरलेस नेटवर्क तक सब कुछ के लिए किया जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनका डिज़ाइन इन विशिष्ट आवृत्तियों पर टकराने वाली लगभग पूरी ऊर्जा को सोख सकता है, जिसमें अवशोषण दर 99.3 प्रतिशत तक पहुँच जाती है। इसका मतलब है कि ऊर्जा सतह से टकराकर वापस जाने के बजाय, पकड़ ली जाती है और नष्ट कर दी जाती है, जिससे अन्य उपकरणों में हस्तक्षेप करने के लिए लगभग कोई संकेत नहीं बचता।

इस प्रदर्शन का रहस्य टाइल की ज्यामिति (geometry) में निहित है। शोधकर्ताओं ने एक मानक, सस्ते प्लास्टिक बोर्ड पर कॉपर पैटर्न का उपयोग करके इस यूनिट सेल का निर्माण किया। धातु को दो नेस्टेड अष्टकोणीय आकृतियों, एक विभाजित रिंग और केंद्र में एक संशोधित क्रॉस आकार में व्यवस्थित करके, उन्होंने एक ऐसी संरचना बनाई जो आने वाली तरंगों के साथ अनुनाद (resonate) करती है। जब तरंगें टाइल से टकराती हैं, तो वे धातु के पैटर्न के भीतर विद्युत और चुंबकीय प्रतिक्रियाओं को सक्रिय करती हैं जो आने वाली ऊर्जा के साथ पूरी तरह से मेल खाती हैं। यह मिलान तरंगों को वापस उछलने के बजाय संरचना के भीतर प्रवेश करने की अनुमति देता है। एक बार अंदर जाने के बाद, ऊर्जा को फँसा लिया जाता है और ऊष्मा में बदल दिया जाता है। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर पर भौतिकी का अनुकरण (simulation) करके और फिर एक नियंत्रित, प्रतिध्वनि-मुक्त कक्ष (echo-free chamber) में एक भौतिक प्रोटोटाइप का परीक्षण करके इस व्यवहार को सत्यापित किया। वास्तविक प्रोटोटाइप के माप कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ बारीकी से मेल खाते थे, जिससे पुष्टि हुई कि डिज़ाइन इच्छानुसार कार्य करता है। 9.85, 12.8, 15.48, और 20.42 गीगाहर्ट्ज़ की चार लक्षित आवृत्तियों पर, सामग्री ने आने वाली ऊर्जा के बीच 90 और 99 प्रतिशत तक अवशोषण किया।

इस डिज़ाइन की एक महत्वपूर्ण विशेषता इसकी मजबूती (robustness) है। वास्तविक दुनिया में, तरंगें शायद ही कभी किसी सतह से सीधे टकराती हैं; वे कई अलग-अलग कोणों और विभिन्न दिशाओं से आती हैं। शोधकर्ताओं ने विभिन्न दिशाओं से तरंगों को टाइल पर डालकर और तरंगों के ध्रुवीकरण (polarization) को घुमाकर अपने टाइल का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि जब तरंगें तीव्र कोणों पर टकराती हैं, तब भी अवशोषक प्रभावी रहता है, और केंद्र से 60 डिग्री तक के कोणों पर भी उच्च अवशोषण स्तर बनाए रखता है। यह स्थिरता पैटर्न के सममित (symmetrical) आकार के कारण है, जो तरंगों के साथ उसी तरह से अंतःक्रिया करता है चाहे वे किसी भी दिशा से आएं। यह इस सामग्री को वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए व्यावहारिक बनाता है जहाँ सिग्नल की दिशा को नियंत्रित नहीं किया जा सकता है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने सामग्री की शील्डिंग प्रभावशीलता (shielding effectiveness) की गणना की, जो विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को रोकने की क्षमता का एक माप है। परिणामों ने दिखाया कि टाइल अपने शिखर प्रदर्शन पर सिग्नल की शक्ति को 51.75 डेसिबल तक कम कर सकती है, जो संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक्स को व्यवधान से बचाने के लिए पर्याप्त क्षीणन (attenuation) का स्तर है।

टीम ने इस क्षेत्र के अन्य हालिया डिजाइनों के साथ भी अपने कार्य की तुलना की। जबकि अन्य शोधकर्ताओं ने निचली आवृत्तियों या कम बैंडों के लिए अवशोषक बनाए हैं, यह नया डिज़ाइन एक ही कॉम्पैक्ट संरचना के साथ उच्च आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला को कवर करने के लिए विशिष्ट है। यह जटिल विनिर्माण या महंगे पदार्थों की आवश्यकता के बिना, एक मानक कॉपर-क्लैड बोर्ड का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है जिसे बड़ी मात्रा में उत्पादित करना आसान है। शोधकर्ताओं ने इन टाइल्स के एक बड़े समूह (array) को बनाकर और उनके प्रदर्शन को मापकर अपने निष्कर्षों को प्रमाणित किया, जिससे सिद्ध हुआ कि यह डिज़ाइन प्रभावी ढंग से स्केल (scale up) हो सकता है। परिणाम बताते हैं कि यह सरल, लो-प्रोफाइल संरचना अगली पीढ़ी की वायरलेस प्रणालियों को शील्ड करने, रडार सिग्नेचर को कम करने और ऊर्जा संचयन (energy harvesting) उपकरणों की दक्षता में सुधार करने के लिए एक व्यावहारिक समाधान हो सकती है। एक जटिल विद्युत चुम्बकीय समस्या को सटीक ज्यामितीय डिजाइन का मामला बनाकर, शोधकर्ताओं ने हमारी जुड़ी हुई दुनिया को शक्ति देने वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए हल्के, अधिक प्रभावी संरक्षण का एक स्पष्ट मार्ग प्रदर्शित किया है।