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Eigenschaften von Wellen mit Orbital Angular Momentum (OAM) in Bezug auf drahtlose Kommunikation in komplexer Umgebung und auf elektromagnetische Interferenz

Antragsteller Professor Dr. Christian Schuster, seit 8/2020
Fachliche Zuordnung Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung Förderung von 2020 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432301241
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Elektromagnetische (EM) Wellen haben eine Vielzahl von nützlichen Eigenschaften wie z. B. linearen Impuls und Eigendrehimpuls (Spin). In den letzten Jahren wurden sogenannte Bahndrehimpuls(OAM)-tragende Wellen in die Hochfrequenz(HF)-technik als neuartige Methode zur Signalmodulation in der drahtlosen Kommunikation eingeführt. In diesem Projekt wurden grundlegende Fragen zur Erzeugung, Ausbreitung und zum Empfang von OAM- Wellen untersucht, und zwar sowohl aus physikalischer Sicht (z.B. Reflektion, Schirmung, Superposition und Interferenz) als auch aus Sicht der HF-Technik (z.B. Antennenentwurf, Impedanzanpassung, Modenkonversion und Verhalten in komplexer Umgebung). Zu den Zielen, die in diesem Projekt - hauptsächlich durch numerische Simulationen auf Basis der Momentenmethode - erreicht wurden, gehören die Verbesserung des Verständnisses der grundlegenden elektromagnetischen Eigenschaften von OAM-Wellen, die Erstellung von Richtlinien für das Design von OAM-Antennengruppen und die Bewertung von OAM- basierter Kommunikation in komplexen Umgebungen und bei elektromagnetischen Störungen. Im Einzelnen konnten die folgenden Ergebnisse und Erkenntnisse gewonnen werden: Bei der Verwendung von Uniform Circular Arrays wurde festgestellt, dass eine Modenumwandlung stattfindet, wenn die Umgebung um ein Array und zwischen zwei Arrays nicht zyklisch symmetrisch ist. Für ein einzelnes Array bedeutet dies, dass die verwendeten Arrayelemente, die Ausrichtung der Elemente und die Form des Arrays so gewählt werden müssen, dass das Array aus der Sicht jedes Antennenelements „gleich aussieht". Die Umgebung zwischen zwei Arrays unterliegt der gleichen Symmetrieanforderung, und die Arrays müssen aufeinander ausgerichtet sein. Beispiele für zyklisch symmetrische Umgebungen sind der freie Raum und ein zylindrischer Wellenleiter. Beispiele für nicht-zyklisch symmetrische Umgebungen sind die Kommunikation über dem Boden oder in einem rechteckigen Korridor. Die Signalstärke der übertragenen OAM-Modi nimmt bei höheren OAM-Modi über die Entfernung schneller ab. Es wurde festgestellt, dass die Ausrichtung des Array-Elements diese Abnahme für die verschiedenen Moden verändern kann. Weiter wurde festgestellt, dass die OAM- Moden in der Lage sind, Öffnungen unterschiedlicher Form und Größe zu durchdringen. Wie gut eine OAM-Mode eine Öffnung durchdringt, hängt von der Form und Größe der Öffnung und der Mode ab. Das Problem der Interferenz, bei dem ein Array neben dem eigentlichen Signal auch Störsignale empfängt, erweist sich bei der OAM-basierten Kommunikation als besonders problematisch. Diese Interferenz kann durch eine dritte Antenne oder eine Reflexion, z. B. vom Boden, hervorgerufen werden. Die besondere Herausforderung für OAM-Antennen besteht darin, dass die Übertragung eines hohen Modes schneller abklingen kann als das Störsignal und somit das Verhältnis von Signal zu Störung über die Entfernung abnimmt. Schließlich wurde festgestellt, dass OAM-Moden auf Übertragungsleitungen oder Wellenleitern ohne Modenumwandlung angewendet werden können, wenn die Symmetrieanforderungen erfüllt sind. Dies kann in HF-Komponenten z. B. als Antenneneinspeisungen verwendet werden.

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