[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文提出了一种新颖的喇叭天线设计，通过利用圆形喇叭的高阶模态，生成高纯度的毫米波轨道角动量（OAM）模式。通过模式组合技术，该天线在 l = +1 和 l = -1 的 OAM 状态下实现了 87% 的模式纯度，同时具备高增益（>12 dBi）和宽频带（>15%），适用于毫米波和太赫兹频段的高速通信与雷达应用。

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.

研究动机与目标

• 开发一种在毫米波频率下生成高纯度轨道角动量（OAM）模式的新型方法。
• 解决在 OAM 生成天线中实现高模式纯度、高增益和宽频带的挑战。
• 设计、仿真并实验验证一种能够产生具有任意 OAM 指数的扭曲电磁波的喇叭天线。
• 将基于 OAM 的系统应用范围从微波频段扩展至毫米波和太赫兹频段。

提出的方法

• 设计一种圆形喇叭天线，以激励能自然支持对应于 OAM 状态的螺旋相位前驱的高阶模态。
• 采用模式组合方法，通过相干组合多个高阶模态，合成任意阶数的 OAM 模式。
• 利用电磁场理论进行理论分析，以建模螺旋相位结构和模式纯度。
• 使用全波电磁求解器进行数值仿真，以预测辐射图样和模式纯度。
• 制作物理原型并进行测量，以验证理论和仿真结果。
• 通过近场和远场测量评估天线性能，包括模式纯度、增益和带宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过模式组合方法，喇叭天线是否能够在毫米波频率下生成高纯度的 OAM 模式？
• RQ2 在毫米波频段，OAM 生成喇叭天线可实现的模式纯度、增益和带宽分别是多少？
• RQ3 与现有 OAM 天线相比，所提出方法在性能和可扩展性方面有何差异？
• RQ4 该天线是否能够在保持宽频带内高性能的同时，支持任意 OAM 指数？

主要发现

• 所制造的喇叭天线在 l = +1 和 l = -1 的 OAM 状态下实现了 87% 的模式纯度。
• 该天线在工作频带内表现出超过 12 dBi 的高增益。
• 工作带宽超过 15%，表明其具备适合实际应用的宽带操作特性。
• 理论分析与仿真结果通过实验测量得到验证，所有阶段结果保持一致。
• 所提出的结构可在毫米波频段实现高纯度 OAM 模式生成，且具有向太赫兹频率扩展的潜力。
• 该方法支持生成具有任意指数的 OAM 模式，为未来通信与传感系统提供了灵活性。