[論文レビュー] Generation of High-Purity Millimeter-Wave Orbital Angular Momentum Modes Using Horn Antenna: Theory and Implementation

Jian Ren, Kwok Wa Leung|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2017

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、円形エーテルの高次モードを活用して高純度のミリ波帯の軌道的角運動量（OAM）モードを生成する、新しいホーンアンテナの設計を提案する。モード合成技術を用いることで、OAM状態の索引 l = +1 および l = -1 に対して87%のモード純度を達成し、高利得（>12 dBi）および広帯域（>15%）を実現した。これは、ミリ波帯およびテラヘルツ帯の高速通信およびレーダー用途に適している。

ABSTRACT

Twisted electromagnetic waves, of which the helical phase front is called orbital angular momentum (OAM), have been recently explored for quantum information, high speed communication and radar detections. In this context, generation of high purity waves carrying OAM is of great significance and challenge from low frequency band to optical area. Here, a novel strategy of mode combination method is proposed to generate twisted waves with arbitrary order of OAM index. The higher order mode of a circular horn antenna is used to generate the twisted waves with quite high purity. The proposed strategy is verified with theoretical analysis, numerical simulation and experiments. A circular horn antenna operating at millimeter wave band is designed, fabricated, and measured. Two twisted waves with OAM index of l=+1 and l=-1 with a mode purity as high as 87% are obtained. Compared with the other OAM antennas, the antenna proposed here owns a high antenna gain (over 12 dBi) and wide operating bandwidth (over 15%). The high mode purity, high antenna gain and wide operating band make the antenna suitable for the twisted-wave applications, not only in the microwave and millimeter wave band, but also in the terahertz band.

研究の動機と目的

• ミリ波周波数帯における軌道的角運動量（OAM）モードを高純度で生成する手法を開発すること。
• OAM生成アンテナにおける高モード純度、高利得、広帯域を達成する課題に対処すること。
• 任意のOAM索引を持つねじれ型電磁波を生成可能なホーンアンテナの設計、シミュレーション、実験的検証を行うこと。
• OAMベースのシステムの応用範囲をマイクロ波帯からミリ波帯およびテラヘルツ帯へ拡張すること。

提案手法

• ヘリカル位相フロントを対応するOAM状態が持つ内在的な高次モードを励起できるように、円形ホーンアンテナを設計する。
• 複数の高次モードをコherently合成することで、任意の順序のOAMモードを合成するモード結合法を採用する。
• 電磁界理論を用いた理論的分析により、ヘリカル位相構造とモード純度をモデル化する。
• 全波電磁界ソルバを用いた数値シミュレーションにより、放射パターンおよびモード純度を予測する。
• 理論的およびシミュレーション結果の妥当性を検証するため、物理的プロトタイプを製作し、測定を実施する。
• 近場および遠方場測定を用いて、モード純度、利得、帯域幅の観点からアンテナの性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モード結合法を用いることで、ホーンアンテナがミリ波周波数帯で高純度のOAMモードを生成できるか？
• RQ2 ミリ波帯におけるOAM生成ホーンアンテナの実現可能なモード純度、利得、帯域幅はどの程度か？
• RQ3 本手法は、既存のOAMアンテナと比較して、性能およびスケーラビリティの面で優れているか？
• RQ4 広帯域にわたり高性能を維持しながら、任意のOAM索引をサポートできるか？

主な発見

• 製作されたホーンアンテナは、索引 l = +1 および l = -1 のOAM状態に対して87%のモード純度を達成した。
• アンテナは動作周波数帯域全域で12 dBiを超える高い利得を示した。
• 動作帯域幅は15%を超えており、実用的応用に適した広帯域動作を示した。
• 理論的およびシミュレーション結果は、実験的測定によって妥当性が確認され、全段階で一貫性が保たれた。
• 提案された設計により、ミリ波帯で高純度のOAMモード生成が可能となり、将来のテラヘルツ周波数帯への応用拡張も期待できる。
• 本手法は、任意の索引を持つOAMモードの生成を可能とし、将来的な通信およびセンシングシステムにおける柔軟性を提供する。