ब्लॉग

आरएफ और टेलीकॉम सिस्टम में निष्क्रिय घटकों की भूमिका

आरएफ और टेलीकॉम सिस्टम में निष्क्रिय घटकों की जानकारी

RF और दूरसंचार प्रणालियों में पासिव घटक महत्वपूर्ण संकेतों की स्थिति के बिना लाभ या सक्रिय नियंत्रण के बिना संकेतों की स्थिति के लिए आधारभूत निर्माण खंड बनाते हैं। ट्रांजिस्टर या एम्पलीफायर जैसे सक्रिय घटकों के विपरीत, प्रतिरोधक, संधारित्र और प्रेरक जैसे निष्क्रिय तत्व केवल विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की पारस्परिक क्रियाओं के माध्यम से काम करते हैं। इनके मुख्य कार्य निम्नलिखित हैं:

• इम्पीडेंस मिलान : परिपथ के चरणों के बीच कुशल शक्ति स्थानांतरण सुनिश्चित करना।
• फ़िल्टरिंग : संकेत की अखंडता को बनाए रखते हुए अवांछित आवृत्तियों को अवरुद्ध करना।
• ऊर्जा भंडारण : समय निर्धारण और स्थिरता के लिए आवेश या चुंबकीय ऊर्जा को अस्थायी रूप से संग्रहित करना।

ये घटक संकेतों के व्यवहार को आकार देने में अमूल्य हैं, विशेष रूप से उच्च आवृत्ति वाले वातावरण में जहां न्यूनतम सम्मिलन हानि और सटीक प्रतिबाधा मिलान प्रणाली की दक्षता निर्धारित करते हैं।

दूरसंचार नेटवर्क में संकेत वितरण और संयोजन

आज के दूरसंचार नेटवर्क में पावर स्प्लिटर्स जैसे पैसिव घटक बहुत महत्वपूर्ण हैं, विशेष रूप से बहु-एंटीना सेटअप और वितरित रेडियो इकाइयों में संकेतों को वितरित करने के मामले में, जो अब हर जगह देखने को मिलती हैं। जब कोई आरएफ संकेत किसी बेस स्टेशन में प्रवेश करता है, तो आमतौर पर इसे कई अलग-अलग पथों में विभाजित करने की आवश्यकता होती है ताकि यह सभी एंटीना या स्मॉल सेल स्थापनों तक पहुंच सके, बिना उनके बीच समय समायोजन में गड़बड़ी किए। अधिकांश इंजीनियर इस कार्य के लिए दिशात्मक कपलर्स या विल्किनसन डिवाइडर्स पर निर्भर करते हैं। ये उपकरण वास्तव में 1:32 तक के अनुपात में संकेतों को विभाजित कर सकते हैं, और वे पिछले वर्ष किए गए क्षेत्र परीक्षणों में 3.5 गीगाहर्ट्ज़ आवृत्ति बैंड के आसपास किए गए मापन के अनुसार 0.5 डेसीबल से कम इन्सर्शन नुकसान को बनाए रख सकते हैं। हमारी वर्तमान वायरलेस अवसंरचना में आरएफ उप-प्रणालियों के कार्य को देखने से पता चलता है कि ये सरल पैसिव घटक 5G नेटवर्क की क्षमता और प्रतिक्रिया समय पर बड़ा प्रभाव डालते हैं क्योंकि ये सटीक बीमफॉर्मिंग और कैरियर एग्रीगेशन तकनीकों को संभव बनाते हैं। डिज़ाइनरों के लिए चुनौती यह है कि वे उन घटकों द्वारा संभाले जा सकने वाले शक्ति के स्तर और उनके आकार के बीच सही संतुलन खोजें, विशेष रूप से वहां जहां घनी आबादी वाले शहरी क्षेत्रों में mmWave आवृत्तियां ऐसे घटकों की मांग करती हैं जो अत्यंत संकीर्ण स्थानों में फिट हो सकें।

पावर स्प्लिटर कैसे काम करते हैं: मुख्य कार्यक्षमता और प्रमुख विशेषताएं

सिग्नल वितरण में पावर स्प्लिटर का कार्य

पावर स्प्लिटर मूल रूप से निष्क्रिय घटक होते हैं जो संचार नेटवर्क में उपयोग किए जाते हैं। वे एक आने वाले रेडियो आवृत्ति सिग्नल को लेते हैं और इसे कई आउटपुट मार्गों में विभाजित करते हैं, जबकि प्रतिबाधा (इम्पीडेंस) को संतुलित रखते हैं। इन उपकरणों का मुख्य कार्य नेटवर्क के विभिन्न हिस्सों में सिग्नलों को समान रूप से फैलाना है, जिसमें सामान्य एंटीना, वितरित एंटीना प्रणालियां (डीएएस) और सभी बेस स्टेशन शामिल हैं। 5G नेटवर्क की स्थापना करते समय, तकनीशियनों को अक्सर एक 3.5 गीगाहर्ट्ज़ सिग्नल को दो या चार अलग-अलग मार्गों में विभाजित करने की आवश्यकता होती है ताकि वे एक समय में कई क्षेत्रों तक पहुंच सकें। इससे सेवा प्रदाताओं को अतिरिक्त हस्तक्षेप की समस्याओं को उत्पन्न किए बिना बेहतर कवरेज प्राप्त करने में मदद मिलती है।

दूरसंचार अनुप्रयोगों में पावर स्प्लिटर बनाम कॉम्बाइनर

लोग अक्सर उन्हें एक दूसरे से मिला देते हैं, लेकिन पावर स्प्लिटर और कॉम्बाइनर वास्तव में विपरीत कार्य करते हैं। स्प्लिटर एक स्थान से आने वाले संकेत को लेते हैं और एक साथ कई अलग-अलग स्थानों पर भेजते हैं। कॉम्बाइनर इसके विपरीत कार्य करते हैं, वे कई स्रोतों से संकेत लेते हैं और उन्हें केवल एक आउटपुट पथ में जोड़ देते हैं। कुछ स्प्लिटर मॉडल को आवश्यकता पड़ने पर कॉम्बाइनर के रूप में भी उपयोग किया जा सकता है, विशेष रूप से उन मॉडलों में जिनमें द्विदिश विशेषता होती है। उदाहरण के लिए हाइब्रिड कपलर्स, ये उपकरण दो अलग-अलग ट्रांसमीटरों से आने वाले संकेतों को एकल एंटीना कनेक्शन पॉइंट पर मिलाने की अनुमति देते हैं। यहां सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि वे उन अलग-अलग संकेतों को एक दूसरे से अलग रखते हैं। यह बात विशेष रूप से महत्वपूर्ण है जहां बहुत सारे वायरलेस संकेत एक साथ समाहित होते हैं, जैसे कि बड़े शहरों में, क्योंकि अन्यथा वे सभी संकेत एक दूसरे में हस्तक्षेप करने लगेंगे।

प्रमुख प्रदर्शन मापदंड: स्प्लिट अनुपात, इन्सर्शन नुकसान, और अलगाव

तीन मापदंड स्प्लिटर की दक्षता को परिभाषित करते हैं:

• स्प्लिट अनुपात : आउटपुट वितरण का वर्णन करता है (उदाहरण के लिए, समान विभाजन के लिए 1:2).
• सम्मिलन हानि : डिवाइस के माध्यम से संकेत शक्ति कमी, आमतौर पर उच्च गुणवत्ता वाले उपकरणों में 0.1–3 डेसीबल। उद्योग अध्ययनों से पता चलता है कि 1 डेसीबल से कम की हानि से नेटवर्क ऊर्जा दक्षता में 12–18% की वृद्धि होती है (पोनेमैन संस्थान, 2023)।
• एकांत : आउटपुट पोर्ट के बीच संकेत रिसाव को रोकता है, प्रीमियम मॉडल में 20 डेसीबल से अधिक होने से बहु-कैरियर सिस्टम में हस्तक्षेप से बचा जा सकता है।

ये मापदंड नेटवर्क विश्वसनीयता को सीधे प्रभावित करते हैं, विशेष रूप से mmWave 5G तैनाती में, जहां संकेत अखंडता सर्वोच्च प्राथमिकता है।

आरएफ पावर स्प्लिटर्स के प्रकार और डिज़ाइन व्यापार-बदलाव

आरएफ पावर स्प्लिटर निष्क्रिय घटक हैं जो दूरसंचार प्रणालियों में संकेत अखंडता को प्रबंधित करने में महत्वपूर्ण हैं, जिनका प्रदर्शन सीधे डिज़ाइन विकल्पों से जुड़ा हुआ है। नीचे, हम उनके मुख्य विविधता, तकनीकी व्यापार-बदलाव और संचालन प्रभावों का पता लगाते हैं।

पावर स्प्लिटर्स के सामान्य प्रकार: विल्किनसन, दिशात्मक, और प्रतिरोधी

तीन प्राथमिक आरएफ पावर स्प्लिटर वास्तुकला अलग-अलग भूमिकाएं निभाती हैं:

• विल्किनसन स्प्लिटर उच्च आवृत्ति अनुप्रयोगों जैसे 5G एंटीना सरणियों के लिए आदर्श बनाते हुए सिग्नलों को विभाजित करने और पोर्ट आइसोलेशन बनाए रखने के लिए क्वार्टर-वेव ट्रांसफार्मर का उपयोग करें। आरएफ सिस्टम पर एक 2024 के अध्ययन में इनके निम्न प्रवेश हानि (आमतौर पर <0.3 डीबी) और 100 डब्ल्यू शक्ति स्तर तक संभालने की क्षमता को शामिल किया गया है।
• दिशात्मक स्प्लिटर आवृत्ति-विभाजन डुप्लेक्सिंग में अक्सर उपयोग किए जाने वाले आवृत्ति-चयनात्मक सिग्नल रूटिंग के लिए युग्मित संचरण लाइनों का लाभ उठाते हैं।
• प्रतिरोधक स्प्लिटर व्यापक बैंडविड्थ और संक्षिप्त आकार प्रदान करते हैं लेकिन आइसोलेशन की कमी (अक्सर <20 डीबी), इन्हें केवल कम शक्ति वाले परीक्षण उपकरणों में उपयोग करने की सीमा तक सीमित कर देता है।

प्रवेश हानि और आइसोलेशन: नेटवर्क दक्षता पर प्रभाव

व्यावसायिक स्प्लिटर में प्रवेश हानि (2-3 डीबी) सीधे नेटवर्क के माध्यम से डेटा प्रवाह को कम कर देती है, जबकि अपर्याप्त आइसोलेशन (5G के लिए >30 डीबी लक्ष्य) पोर्ट के बीच सिग्नल रिसाव का कारण बनती है। उदाहरण के लिए, 64T64R मैसिव मिमो सरणि में 1 डीबी की हानि सेल-एज थ्रूपुट को 15-20% तक कम कर सकती है, हाल के क्षेत्र परीक्षणों के अनुसार।

डिज़ाइन व्यापार-ऑफ़: संक्षिप्त आकार बनाम उच्च आइसोलेशन और शक्ति संभालना

छोटे सेल्स के लिए स्प्लिटर्स के मिनिएचराइज़ेशन के कारण अक्सर इंजीनियरों को 10–15% कम पावर हैंडलिंग या 5–8 डीबी तक कम आइसोलेशन स्वीकार करना पड़ता है। GaN-on-SiC जैसे उन्नत सब्सट्रेट्स इन हानियों को कम करने में मदद करते हैं, जिससे मिलीमीटर वेव के नवीनतम डिप्लॉयमेंट में 2.4 गीगाहर्ट्ज़ प्रदर्शन के समझौते के बिना विल्किन्सन स्प्लिटर्स में 40% तक की कमी लाई जा सकती है।

5G और आधुनिक वायरलेस इंफ्रास्ट्रक्चर में पावर स्प्लिटर्स के अनुप्रयोग

5G बेस स्टेशन और स्मॉल सेल्स में पावर स्प्लिटर्स

पावर स्प्लिटर किसी भी 5G सेटअप के आवश्यक भाग हैं, जो आजकल हमें हर जगह दिखने वाली बड़ी MIMO एंटीना प्रणालियों में संकेतों को ठीक से वितरित करने में मदद करते हैं। आजकल, अधिकांश बेस स्टेशन उन पर निर्भर करते हैं ताकि उच्च आवृत्ति वाले संकेतों को लगभग 64 या यहां तक कि 128 विभिन्न एंटीना बिंदुओं तक समान रूप से विभाजित किया जा सके। इससे किसी क्षेत्र में कवरेज को स्थिर रखने में मदद मिलती है और यह सुनिश्चित होती है कि बीम ठीक उस स्थान पर जाएं, जहां उन्हें जाना है। जहां तक भीड़-भाड़ वाले शहरों में स्थापित छोटे सेल्स का सवाल है, इन स्प्लिटर्स के कॉम्पैक्ट संस्करण बहुत महत्वपूर्ण हो जाते हैं। वे संकेत क्षति की समस्याओं को कम करते हैं, लेकिन फिर भी टेलीकॉम क्रू के लिए सेटअप करते समय जगह की कमी वाली जगहों, जैसे सड़क के लैंप पोस्ट के ऊपर या इमारतों की दीवारों पर माउंट करने जैसी जगहों में फिट होते हैं।

MmWave 5G नेटवर्क में वास्तविक दुनिया का तैनाती

24 गीगाहर्ट्ज़ से अधिक आवृत्ति वाली मिलीमीटर तरंगों को वातावरण द्वारा अवशोषित होना और बाधाओं के चारों ओर उचित रूप से विवर्तन न कर पाना जैसी समस्याओं के कारण संचरण में कठिनाई का सामना करना पड़ता है। इन उच्च आवृत्ति बैंडों के लिए, इंजीनियर ऐसे पावर स्प्लिटर्स का सहारा लेते हैं जो संकेतों को विभाजित करके संकेत हानि को कम करने में मदद करते हैं, जिससे उन फ़ेज़्ड एरे एंटीना में संकेतों को उचित दिशा में भेजा जा सके। उदाहरण के लिए, एक सामान्य 28 गीगाहर्ट्ज़ 5G बेस स्टेशन लीजिए। इनमें आमतौर पर विल्किनसन पावर स्प्लिटर्स का उपयोग किया जाता है, जो 20 डेसीबल से अधिक आइसोलेशन और लगभग 0.3 डेसीबल से कम इंसर्शन नुकसान रखने के बीच संतुलन बनाए रखने में मदद करता है। यह व्यवस्था लगभग 200 मीटर की दूरी तक डेटा दरों को बनाए रखना संभव बनाती है, हालांकि सभी जानते हैं कि mmWave को अधिकांश समय कार्य करने के लिए स्पष्ट लाइन ऑफ़ साइट की आवश्यकता होती है।

उच्च आवृत्ति दूरसंचार प्रणालियों में संकेत प्रबंधन चुनौतियाँ

उच्च आवृत्ति 5G सिस्टम के लिए, पावर स्प्लिटर्स को चरम तापीय स्थितियों से निपटना पड़ता है, जबकि वापसी हानि को -15 डीबी से नीचे रखना होता है, ताकि उबड़-खाबड़ प्रतिबाधा मिलान से बचा जा सके। जब 39 गीगाहर्ट्ज़ आवृत्तियों पर संचालन किया जाता है, तो आउटपुट सिग्नलों के बीच केवल 5 डिग्री से कम के छोटे चरण अंतर बीम पैटर्न को वास्तव में बिगाड़ सकते हैं। ऐसा विरूपण वास्तव में पोनमॉन द्वारा 2023 में किए गए अनुसंधान के अनुसार नेटवर्क क्षमता को लगभग 30 से 40 प्रतिशत तक कम कर देता है। सबसे अच्छे वर्तमान डिज़ाइन तापमान संहत सामग्री के साथ-साथ स्वर्ण लेपित कनेक्टर्स को शामिल करना शुरू कर रहे हैं। ये घटक यह सुनिश्चित करते हैं कि बाहरी तापमान में 50 डिग्री सेल्सियस से अधिक की वार्षिक उतार-चढ़ाव होने पर भी हर साल कई तैनाती स्थानों पर सब कुछ ठीक से काम करता रहे।

इन तकनीकी बाधाओं का समाधान करके, पावर स्प्लिटर्स प्रोजेक्ट की गई मांगों को पूरा करने के लिए 5G बुनियादी ढांचे के विस्तार के लिए अनिवार्य बने रहते हैं, जिसमें 10 जीबीपीएस गति और उप-1 एमएस विलंबता शामिल है।

भविष्य के रुझान: IPD और मिनिएचराइज्ड मॉड्यूल में पावर स्प्लिटर्स का एकीकरण

एकीकृत निष्क्रिय उपकरण (IPD): बाजार विकास और दूरसंचार अनुप्रयोग

दूरसंचार कंपनियां छोटे, अधिक कुशल नेटवर्क सेटअप की ओर तेजी से बढ़ रही हैं, जिसके कारण आजकल एकीकृत निष्क्रिय उपकरण (IPD) बहुत लोकप्रिय हो रहे हैं। ये छोटे सेमीकंडक्टर मॉड्यूल पावर स्प्लिटर्स, फिल्टर और कपलर्स जैसी चीजों को एक ही सब्सट्रेट पर एकत्रित कर देते हैं। परिणाम? आधार स्टेशनों को पहले की तुलना में लगभग 40 से शायद 60 प्रतिशत तक कम घटकों की आवश्यकता होती है, इसके अलावा ये ठंडा भी चलते हैं। आगे देखते हुए, क्योंकि 5G देश भर में लॉन्च होता रहता है, बाजार विशेषज्ञों का मानना है कि दूरसंचार क्षेत्र में IPD की मांग 2028 तक शायद प्रति वर्ष लगभग 19% तक बढ़ जाएगी। अधिकांश उद्योग विश्लेषकों के अनुसार इस प्रवृत्ति के पीछे का बड़ा कारण उन RF फ्रंट एंड्स का मिनिएचराइजेशन बना हुआ है।

एडवांस्ड RF मॉड्यूल में एम्बेडेड घटक के रूप में पावर स्प्लिटर्स

अब प्रमुख निर्माता गैलियम नाइट्राइड (GaN) RF एम्पलीफायर में सीधे पावर स्प्लिटर्स को एम्बेड कर रहे हैं, जिससे ड्यूल-फंक्शन मॉड्यूल बनते हैं जो अलग-अलग सेटअप की तुलना में 30% कम PCB स्थान लेते हैं। यह सह-डिज़ाइन दृष्टिकोण mmWave आवृत्तियों पर प्रतिबाधा मिलान में सुधार करता है, 28 GHz फ़ेज़्ड-एरे एंटीना में सम्मिलन नुकसान को 0.8–1.2 dB तक कम कर देता है।

IPD-आधारित डिज़ाइन में मिनिएचराइज़ेशन और प्रदर्शन का संतुलन

जबकि IPD 5G नेटवर्क के लिए अलगाव (-25 dB न्यूनतम) और 2.5 mm² से कम पैकेज आकार के बीच व्यापार-ऑफ़ के बीच अभूतपूर्व जगह बचाता है। पतली फिल्म संधारित्र एकीकरण और सब्सट्रेट-वाया शिल्डिंग में आई ताज़ा प्रगति ने उत्पादन-ग्रेड IPD पावर स्प्लिटर्स में 39 GHz पर अलगाव मेट्रिक्स को -32 dB तक धकेल दिया है।

सामान्य प्रश्न

RF और दूरसंचार प्रणालियों में निष्क्रिय घटक क्या हैं?

RF और दूरसंचार प्रणालियों में निष्क्रिय घटक महत्वपूर्ण निर्माण खंड हैं, जिनमें प्रतिरोधक, संधारित्र और प्रेरक जैसे तत्व शामिल हैं। वे प्रतिबाधा मिलान, फ़िल्टरिंग और ऊर्जा भंडारण जैसे महत्वपूर्ण कार्यों को बिना किसी लाभ या सक्रिय नियंत्रण के करते हैं।

दूरसंचार नेटवर्क में पावर स्प्लिटर्स कैसे काम करते हैं?

पावर स्प्लिटर्स का उपयोग आने वाले रेडियो आवृत्ति संकेत को कई आउटपुट मार्गों में विभाजित करने के लिए किया जाता है, जबकि प्रतिबाधा संतुलन बनाए रखा जाता है। वे दूरसंचार नेटवर्क में संकेतों को समान रूप से वितरित करने के लिए महत्वपूर्ण हैं, विशेष रूप से 5G सेटअप में।

पावर स्प्लिटर्स और कॉम्बिनर्स में क्या अंतर है?

पावर स्प्लिटर एकल इनपुट संकेत को कई मार्गों में विभाजित करते हैं, जबकि कॉम्बिनर कई स्रोतों से संकेतों को एकल आउटपुट मार्ग में मर्ज करते हैं। कुछ उपकरण, जैसे हाइब्रिड कपलर, दोनों कार्यों को कर सकते हैं।

RF पावर स्प्लिटर्स में इन्सर्शन नुकसान क्यों महत्वपूर्ण है?

इंसर्शन नुकसान से तात्पर्य सिग्नल पावर में कमी से है जैसे कि यह एक स्प्लिटर से गुजरता है। निम्न इंसर्शन नुकसान नेटवर्क ऊर्जा दक्षता और प्रणाली प्रदर्शन में सुधार करता है, विशेष रूप से उच्च आवृत्ति अनुप्रयोगों में।

एआरएफ पावर स्प्लिटर डिज़ाइन पर कौन से भावी रुझान प्रभाव डाल रहे हैं?

मिनिएचराइज्ड मॉड्यूल और आईपीडी में पावर स्प्लिटर के एकीकरण की प्रवृत्ति महत्वपूर्ण है, जो दूरसंचार प्रणालियों में दक्षता में सुधार और आवश्यक घटकों की संख्या को कम कर रही है।