[논문 리뷰] Generation of High-Purity Millimeter-Wave Orbital Angular Momentum Modes Using Horn Antenna: Theory and Implementation

Jian Ren, Kwok Wa Leung|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 07.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 26인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 원형 허브 안테나의 고차 모드를 활용하여 고순도 밀리미터파 궤도역량운동량(OAM) 모드를 생성하는 새로운 허브 안테나 설계를 제안한다. 모드 조합 기법을 통해 l = +1 및 l = -1 인 OAM 상태에서 87%의 모드 순도를 달성하였으며, 고이득(>12 dBi)과 넓은 대역폭(>15%)을 확보하여 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역에서 고속 데이터 통신 및 레이더 응용 분야에 적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 밀리미터파 주파수에서 궤도역량운동량(OAM) 모드를 고순도로 생성하는 방법을 개발하기 위해.
• OAM 생성 안테나에서 고모드 순도, 고이득, 넓은 대역폭를 확보하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 임의의 OAM 인덱스를 가진 비틀린 전자기파를 생성할 수 있는 허브 안테나를 설계하고, 시뮬레이션 및 실험적으로 검증하기 위해.
• OAM 기반 시스템의 적용 범위를 마이크로파를 초월해 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역으로 확장하기 위해.

제안 방법

• 원형 허브 안테나를 설계하여 고차 모드를 자극함으로써 OAM 상태에 해당하는 나선형 위상 구조를 내재적으로 지원하도록 한다.
• 다중 고차 모드를 위상적으로 조합하여 임의의 순서의 OAM 모드를 합성하기 위해 모드 조합 기법을 적용한다.
• 전자기장 이론을 활용한 이론적 분석을 통해 나선형 위상 구조와 모드 순도를 모델링한다.
• 전장 해석 소프트웨어를 사용하여 복합 전자기장 해를 도출하고 방사 패턴 및 모드 순도를 예측하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행한다.
• 이론적 및 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 물리적 프로토타입을 제작하고 측정한다.
• 근장 및 원장 측정을 통해 모드 순도, 이득, 대역폭 측면에서 안테나 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모드 조합 기법을 활용한 허브 안테나가 밀리미터파 주파수에서 고순도 OAM 모드를 생성할 수 있는가?
• RQ2 밀리미터파 대역에서 OAM 생성 허브 안테나의 구현 가능한 모드 순도, 이득, 대역폭는 얼마인가?
• RQ3 기존의 OAM 안테나와 비교해 본다면 제안된 방법은 성능 및 확장성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ4 넓은 대역폭에서 높은 성능 유지를 유지하면서도 임의의 OAM 인덱스를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 제작된 허브 안테나는 l = +1 및 l = -1 인 OAM 상태에서 87%의 모드 순도를 확보하였다.
• 안테나는 운영 대역 전체에서 12 dBi를 초과하는 높은 이득을 나타내었다.
• 운영 대역폭은 15%를 초과하여 실용적 응용에 적합한 광대역 작동을 보였다.
• 이론적 및 시뮬레이션 결과는 실험 측정을 통해 검증되었으며, 모든 단계에서 일관성을 확인하였다.
• 제안된 설계는 밀리미터파 대역에서 고순도 OAM 모드 생성을 가능하게 하였으며, 테라헤르츠 주파수로의 확장 가능성도 보였다.
• 이 방법은 임의의 인덱스를 가진 OAM 모드 생성을 지원하여 향후 통신 및 센서 시스템에 대한 유연성을 제공한다.