A Fully-Shared Feeding and Radiating Structure for Wideband Dual-Polarized MIMO Antenna in 6G Upper Mid-Band

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ आपका फोन, आपका लैपटॉप और आपका होम इंटरनेट कनेक्शन एक-दूसरे से उस गति और स्पष्टता के साथ बात कर सकें जैसे कि एक भीड़भाड़ वाले कमरे में कई लोग बोल रहे हों, जहाँ हर कोई अलग भाषा बोलता है, फिर भी कोई एक-दूसरे को गलत नहीं समझता। यह अगली पीढ़ी की वायरलेस तकनीक का वादा है, जिसे अक्सर 6G कहा जाता है। इसे साकार करने के लिए, इंजीनियर रेडियो स्पेक्ट्रम के एक विशिष्ट हिस्से की ओर देख रहे हैं जिसे 'अपर मिड-बैंड' (upper mid-band) के रूप में जाना जाता है। यह रेंज उन निचली आवृत्तियों (frequencies) के बीच स्थित है जो दूर तक जाती हैं लेकिन कम डेटा ले जाती हैं, और उन अत्यंत उच्च आवृत्तियों के बीच है जो भारी मात्रा में डेटा ले जाती हैं लेकिन दीवारों या बारिश को पार करने में संघर्ष करती हैं। अपर मिड-बैंड एक बेहतरीन संतुलन प्रदान करता है: यह एक शहर को कवर करने के लिए पर्याप्त अच्छी तरह से यात्रा करता है और इसमें होलोग्राफिक कॉल्स, इमर्सिव वर्चुअल रियलिटी और लाखों जुड़े हुए उपकरणों को सहारा देने के लिए पर्याप्त डेटा होता है। हालाँकि, इस क्षमता को अनलॉक करने के लिए, उपकरणों को ऐसे एंटेना की आवश्यकता है जो बहुत अधिक जगह घेरे बिना एक साथ डेटा के कई प्रवाहों (streams) को संभाल सकें।

चुनौती आकार के भौतिकी (physics of size) में निहित है। एक साथ डेटा के कई प्रवाह भेजने और प्राप्त करने के लिए, एक उपकरण को कई एंटेना की आवश्यकता होती है जो एक साथ काम करें। आमतौर पर, इन एंटेना को एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (interference) से बचने के लिए अलग-अलग दूरी पर रखने की आवश्यकता होती है, ठीक वैसे ही जैसे एक छोटे कमरे में एक ही समय में बोलने की कोशिश कर रहे दो लोग एक-दूसरे की आवाज़ को दबा सकते हैं। अतीत में, इंजीनियरों ने इसे बड़े उपकरण बनाकर या संकेतों को अलग करने के लिए जटिल संरचनाएं जोड़कर हल किया था। लेकिन जैसे-जैसे हमारे उपकरण छोटे और अधिक शक्तिशाली होते जा रहे हैं, अतिरिक्त स्पेसिंग या भारी अलगाव उपकरणों के लिए जगह ही नहीं बचती। सवाल यह बन गया: क्या हम इन एंटेना को इतना सघन (tightly) पैक कर सकते हैं कि वे शारीरिक रूप से एक-दूसरे को छू लें, या यहाँ तक कि एक ही धातु की सतह साझा करें, और फिर भी वे पूरी तरह से काम करें?

दक्षिण कोरिया में हनवा सिस्टम्स (Hanwha Systems) के एक शोधकर्ता, म्योंग-जुन कांग (Myeong-Jun Kang) ने इस समस्या को हल करने के लिए एक ऐसा एंटीना डिजाइन करने का निर्णय लिया जो पारंपरिक इंजीनियरिंग के सुझावों के विपरीत काम करता है। एंटेना को अलग रखने के बजाय, उन्होंने एक ऐसी प्रणाली बनाई जहाँ दो, और अंततः आठ, एंटीना एक ही भौतिक रेडिएटर और फीडिंग संरचना को साझा करते हैं। एक पारंपरिक डिजाइन में, यह एक आपदा होगी; संकेत आपस में मिल जाएंगे और अराजकता पैदा करेंगे। हालाँकि, कांग की टीम ने बिजली के प्रवाह के लिए एक विशिष्ट पथ को इंजीनियर किया जो उन हस्तक्षेप करने वाले संकेतों को रद्द (cancel) कर देता है जो आपस में टकराते हैं। उन्होंने इसे एक साझा ट्रांसमिशन लाइन के उपयोग से हासिल किया जिसका आकार विशिष्ट रूप से गोलाकार और स्टेप डिजाइन (stepped design) वाला है, जो विद्युत धाराओं को इस तरह मजबूर करता है कि वे सक्रिय पोर्ट के आधार पर विपरीत दिशाओं में चलती हैं। यह 'फेज कैंसिलेशन' (phase cancellation) एंटीना के लिए खुद एक 'नॉइज़-कैंसलिंग हेडफ़ोन' की तरह कार्य करता है, जिससे विभिन्न डेटा स्ट्रीम एक ही छोटी धातु की सतह पर एक-दूसरे को नष्ट किए बिना सह-अस्तित्व में रह पाती हैं।

टीम ने इस पूरी तरह से साझा संरचना को पूर्ण करने के लिए डिजाइन के कई चरणों का विकास किया, जिसकी शुरुआत एक प्रारंभिक दो-एंटीना प्रोटोटाइप से हुई और इसे व्यवस्थित रूप से चार अलग-अलग चरणों के माध्यम से विकसित किया गया। उन्होंने एक बुनियादी अपर्चर-फेड डिजाइन (Antenna I) के साथ शुरुआत की, फिर बैंडविड्थ में सुधार के लिए गोलाकार ट्रेस को स्टेप कॉन्फ़िगरेशन (Antenna II) में बदला। इसके बाद, उन्होंने ऊपर की ओर विकिरण (radiation) को स्थिर करने के लिए एक शॉर्ट पैच (Antenna III) जोड़ा, और अंत में पूरे फ्रीक्वेंसी रेंज में प्रदर्शन को और बेहतर बनाने के लिए पैच पर क्रॉस-आकार के स्लॉट्स (Antenna IV) शामिल किए। इन सुधारों ने रेडियो तरंगों को भेजे जाने के तरीके को स्थिर करने में मदद की, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि सिग्नल ऊपर की ओर निर्देशित हो और बहुत विस्तृत फ्रीक्वेंसी रेंज में मजबूत बना रहे। परिणाम आश्चर्यजनक थे। अंतिम एंटीना सफलतापूर्वक 6.96 गीगाहर्ट्ज़ से 15.87 गीगाहर्ट्ज़ की फ्रीक्वेंसी रेंज में संचालित हुआ, जिसने एक ही कॉम्पैक्ट यूनिट के साथ पूरे अपर मिड-बैंड स्पेक्ट्रम को कवर किया। भले ही एंटेना एक ही स्थान साझा कर रहे थे और संकेत आपस में मजबूती से इंटरैक्ट कर रहे थे, सिस्टम ने उच्च स्तर का आइसोलेशन (isolation) बनाए रखा, जिसका अर्थ है कि डेटा स्ट्रीम अलग बनी रहीं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि टीम ने यह मापा कि पूरा सिस्टम समग्र रूप से कैसा प्रदर्शन करता है। उन्होंने पाया कि सिग्नल इतने स्वतंत्र रहे कि वे हाई-स्पीड डेटा ट्रांसफर का समर्थन कर सकें, और उनके मेट्रिक्स ने इस आकार के उपकरण के लिए उत्कृष्ट प्रदर्शन का संकेत दिया।

यह कार्य भविष्य की तकनीक के बारे में हमारी सोच में एक महत्वपूर्ण बदलाव का सुझाव देता है। वर्षों से, नियम यह था कि यदि आप चाहते हैं कि कई एंटीना एक साथ अच्छी तरह से काम करें, तो आपको उन्हें भौतिक रूप से या जटिल डीकप्लिंग संरचनाओं के साथ अलग करना होगा। यह पेपर प्रदर्शित करता है कि आइसोलेशन ही सफलता का एकमात्र मार्ग नहीं है। संकेतों के बीच होने वाली परस्पर क्रिया (interaction) को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके और यह सुनिश्चित करके कि वे भ्रम पैदा करने वाले तरीके से आपस में न मिलें, एंटेना को जितना संभव हो उतना सघन रूप से पैक करने के बावजूद उच्च प्रदर्शन प्राप्त करना संभव है। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि उनका डिजाइन न केवल कंप्यूटर सिमुलेशन में, बल्कि वास्तविक दुनिया के मापन में भी काम करता है, जिससे यह सिद्ध होता है कि सिग्नल स्पष्ट रहे और डेटा क्षमता उच्च बनी रही।

भविष्य की तकनीक के लिए इसके निहितार्थ व्यावहारिक और तत्काल हैं। चूंकि यह एंटीना डिजाइन बहुत छोटा और कुशल है, इसलिए यह उन उपकरणों में शक्तिशाली, मल्टी-स्ट्रीम वायरलेस क्षमताओं को रखने का द्वार खोलता है जहाँ स्थान की बहुत कमी होती है। इसमें स्मार्टफोन, टैबलेट और इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) को बनाने वाले सेंसरों का विशाल नेटवर्क शामिल है। यह घने शहरी क्षेत्रों और इनडोर वातावरण के लिए कॉम्पैक्ट एक्सेस पॉइंट्स के विकास का भी समर्थन करता है जहाँ हाई-स्पीड कनेक्टिविटी आवश्यक है। एक पूरी तरह से साझा संरचना द्वारा वाइडबैंड, डुअल-पोलराइज्ड प्रदर्शन प्रदान करके, यह शोध इंजीनियरों को एक नया ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। यह दिखाता है कि 6G का भविष्य अनिवार्य रूप से बड़े उपकरणों या अधिक जटिल स्पेसिंग की आवश्यकता नहीं रखता है, बल्कि स्मार्ट डिजाइनों की आवश्यकता रखता है जो उन बाधाओं को अपनाते हैं जो कभी मृत अंत (dead ends) प्रतीत होती थीं। परिणाम एक ऐसे वायरलेस सिस्टम की ओर जाने वाला मार्ग है जो न केवल तेज़ और अधिक विश्वसनीय है, बल्कि हमारे दैनिक जीवन में उपयोग किए जाने वाले उपकरणों में सहजता से फिट होने के लिए पर्याप्त छोटा भी है।