[논문 리뷰] Bifocal-Lens Antenna Based OAM Communications System

Shanghua Gao, Wenchi Cheng외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 13.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 균일한 원형 배열(UCA)에서 생성된 오비탈 각운동량(OAM) 비트를 수렴하고 집중시키기 위해 双焦点 렌즈 안테나 시스템을 제안한다. 이는 고차 OAM 모드 무선 통신에서 신호 분산과 신호대역비(SNR) 저하 문제를 해결한다. 중심(0-모드)과 외곽 OAM 모드에 대해 서로 다른 초점 거리를 가진 렌즈를 사용함으로써, 파면 수직성을 유지하면서 에너지를 집중시켜 스펙트럼 효율성과 통신 용량을 크게 향상시킨다. 시뮬레이션을 통해 SNR 향상과 비트 수렴이 확인되었으며, 이는 성능 향상을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고차 OAM 모드 무선 통신에서 신호 분산과 낮은 SNR 문제를 해결하기 위해.
• 비트 전송 중 다수의 OAM 모드 간의 각도 수직성을 유지하기 위해.
• OAM 비트를 왜곡 없이 수렴시키는 렌즈 기반 시스템을 설계하기 위해.
• 특화된 렌즈 초점 설계를 통해 기본(0-모드) 및 저차 OAM 모드의 SNR 저하를 줄이기 위해.
• UCA 및 렌즈 파rameter 최적화를 통해 고스펙트럼 효율성 OAM 기반 무선 통신에 실용적인 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 패치 안테나로 구성된 균일한 원형 배열(UCA)을 사용하여 피드 요소 간의 위상 차이를 제어함으로써 다수의 OAM 모드를 생성한다.
• 렌즈 안테나를 적용하여 분산되는 OAM 비트를 준원통형 비트로 수렴시켜 비트 확산을 감소시킨다.
• 새로운 이중 초점 렌즈 설계를 도입하여 중심(0-모드)과 외곽 OAM 모드에 대해 서로 다른 초점 거리를 제공함으로써 SNR 저하를 최소화한다.
• 각 OAM 모드의 파면 각도를 유지하도록 렌즈를 설계하여 공간 다중화를 위한 수직성 유지 보장을 한다.
• 이론적 분석을 통해 UCA 반지름과 OAM 비트 분산 각도 사이의 관계를 유도하여 시스템 설계를 안내한다.
• 시뮬레이션을 통해 다양한 UCA 반지름과 렌즈 초점 거리에서 비트 수렴, SNR, 스펙트럼 효율성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UCA의 반지름이 생성된 OAM 비트의 분산 각도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 렌즈 안테나는 파면 특성을 손상시키지 않고 다수의 OAM 모드를 동시에 수렴시킬 수 있는가?
• RQ3 이중 초점 렌즈 설계는 0-모드 및 저차 OAM 비트의 SNR 저하를 어떻게 완화하는가?
• RQ4 렌즈 초점 거리와 직경은 비트 수렴 및 통신 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 UCA 반지름은 수렴된 OAM 비트 시스템의 전체 스펙트럼 효율성과 SNR에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• OAM 비트의 분산 각도는 OAM 모드 순서와 UCA 반지름이 증가할수록 증가하며, 본 논문에서 이 관계를 정량적으로 유도하였다.
• 렌즈 안테나는 파면 각도를 변화시키지 않고 OAM 비트를 좁고 원통형 비트로 수렴시켜 모드 간 수직성을 유지하였다.
• 이중 초점 렌즈 설계를 통해 중심 영역에 더 긴 초점 거리를 적용함으로써 0-모드 및 저차 OAM 비트의 SNR 저하를 크게 감소시켰다.
• 시뮬레이션 결과, UCA 반지름을 증가시키면 중심부의 렌즈 두께가 감소하여 시스템 용량이 향상되나, 반지름이 커질수록 수익 감소 현상이 나타났다.
• 초점 거리가 40 mm로 설정되었을 경우, 0-모드의 용량이 심각한 SNR 저하로 거의 0에 수렴하여 최적의 렌즈 설계의 중요성을 입증하였다.
• 비트 수렴을 통해 통신 용량이 상당히 증가하였으며, 중간 수준의 UCA 반지름과 최적화된 렌즈 파rameter에서 가장 높은 성능 향상을 관찰하였다.