[論文レビュー] Bifocal-Lens Antenna Based OAM Communications System

Shanghua Gao, Wenchi Cheng+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2018

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、均一な円形アレイ（UCA）から生成されるオービタル角運動量（OAM）ビームの信号発散およびSNR低下という課題を克服するために、二焦点レンズを用いたアンテナシステムを提案する。中央（0モード）と外側のOAMモードにそれぞれ異なる焦点距離を持つレンズを採用することで、波面の直交性を維持しながらエネルギーを集束し、スペクトル効率および通信容量を顕著に向上させる。シミュレーションにより、SNRとビーム収束の向上が確認された。

ABSTRACT

Orbital angular momentum (OAM) based radio vortex wireless communications have received much attention recently because it can significantly increase the spectrum efficiency. The uniform circular array (UCA) is a simple antenna structure for high spectrum efficiency radio vortex wireless communications. However, the OAM based electromagnetic waves are vortically hollow and divergent, which may result in the signal loss. Moreover, the divergence of corresponding OAM based electromagnetic wave increases as the order of OAM-mode and radius of UCA increases. Therefore, it is difficult to use high-order OAM-mode, because the corresponding received signal-to-noise ratio (SNR) is very small. To overcome the difficulty of high-order OAM modes transmission, in this paper we propose a lens antenna based electromagnetic waves converging scheme, which maintains the angular identification of multiple OAM-modes for radio vortex wireless communications. We further develop a bifocal lens antenna to not only converge the electromagnetic wave, but also compensate the SNR loss on traditional electromagnetic waves. Simulation results show that the proposed bifocal lens can converge the OAM waves into cylinder-like beams, providing an efficient way to increase the spectrum efficiency of wireless communications.

研究の動機と目的

• 高次OAMモード無線通信における信号発散および低SNRという課題に対処すること。
• ビーム伝送中に複数のOAMモードの角度的直交性を維持すること。
• OAMビームを歪めることなく収束させるレンズベースのシステムを設計すること。
• 中心部（0モード）および低次OAMモードのSNR低下を、適切に設計されたレンズ焦点距離によって低減すること。
• UCAおよびレンズパラメータの最適化を通じて、高スペクトル効率なOAMベース無線通信の実用的ソリューションを提供すること。

提案手法

• フィード素子間の位相差を制御することで、パッチアンテナから構成される均一な円形アレイ（UCA）を用いて複数のOAMモードを生成する。
• レンズアンテナを用いて発散するOAMビームを準円筒形ビームに収束させ、ビームの広がりを低減する。
• 中央（0モード）と外側のOAMモードに異なる焦点距離を有する、新規の二焦点レンズ設計を導入し、SNR低下を最小限に抑える。
• 各OAMモードの波面角度を保持するようにレンズを設計することで、空間多重伝送に適した直交性を確保する。
• 理論的解析により、UCA半径とOAMビーム発散角との関係を導出し、システム設計を支援する。
• シミュレーションにより、UCA半径およびレンズ焦点距離の変動に伴うビーム収束、SNR、スペクトル効率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UCAの半径が生成されたOAMビームの発散角に与える影響は何か？
• RQ2 レンズアンテナは、波面特性を歪めることなく複数のOAMモードを同時に収束させることができるか？
• RQ3 二焦点レンズ設計は、0モードおよび低次OAMビームにおけるSNR低下をどのように軽減するか？
• RQ4 レンズの焦点距離および直径がビーム収束および通信容量に与える影響は何か？
• RQ5 UCA半径が収束OAMビームシステム全体のスペクトル効率およびSNRに与える影響は何か？

主な発見

• OAMビームの発散角は、OAMモード順序およびUCA半径の両方と増加する傾向にあり、本稿ではその定量的関係が導出された。
• レンズアンテナは、波面角度を変更せずにOAMビームを狭く、円筒形に収束させることに成功し、モードの直交性が保持された。
• 二焦点レンズ設計により、中央部の0モードおよび低次OAMモードにおけるSNR低下が顕著に低減された。これは、中心部に長い焦点距離を割り当てたことによる。
• シミュレーション結果から、UCA半径を大きくすることで、中心部のレンズ厚さが減少し、システム容量が向上することが示されたが、半径が大きくなると利得が減少する傾向にあった。
• 焦点距離が40 mmに設定された場合、0モードの容量は深刻なSNR低下のためほぼゼロにまで低下し、最適なレンズ設計の重要性が浮き彫りになった。
• ビーム収束により通信容量が顕著に向上し、中程度のUCA半径および最適化されたレンズパラメータで最大の利得が得られた。