OAM kísérletben

A pálya-impulzusmomentummal (OAM – Orbital Angular Momentum) rendelkező rádióhullámok továbbra is kihívást jelentenek a telekommunikációban. A Szabadtéri információátvitel az EM hullámok pálya-impulzusnyomatékával című bejegyzés megemlíti egy kiemelkedő korlátozást: a fázis-érzékenységet. Az előállítás viszonylag egyszerű, a rádióhullámú változat leggyakoribb és leghatékonyabb kivitele a körkörös antennarács. Az antennarács mindenik eleme eltérő fázisú jelt sugároz, melyek kombinációja eredményezi az OAM-et. A jelek polarizációja három féle lehet:

Az iránykarakterisztika szempontjából a párhuzamos elrendezés nyújtja a legjobb nyereséget.

A párhuzamos antennákból készült fázisrácsot UCA-val rövidítik a tudományos folyóiratokban (Uniform Circular Array). A polarizáció irreleváns, ha a kisugárzott jelek fázisai utólag módosulnak egy akadály révén. Az akadály lehet reflektív vagy áteresztő:

- Reflektív antennarács: a felületére érkező jelek fázisát módosítja és veri vissza

- Spirálfázisú elektromágneses lencse: a rajta keresztülhaladó síkhullámok fázisát módosítja

Az OAM numerikusan című bejegyzés a polarizációfüggő antennarácsot vettem alapul. Matlab segítségével részletesen kirajzolható a fázisstruktúra felépítése, és például a NEC szimulátorral megjeleníthető az iránykarakterisztika. Az OAM numerikusan 2 bejegyzésben a Simulink segítségével igazolódott az OAM csatornák közti ortogonalitás. Ez azonban nem működik akármilyen távolságban, hiszen az adóantennától távol, a Fraunhofer régióban kombinálódnak a jelek, akár a Laguerre-Gauss nyalábok. Ez rögtön látszott a kombinált iránykarakterisztikán is:

A fázisérzékenység miatt az OAM csatornák nem keresztezhetik egymást. Vagy egymás mellett, vagy egymás belsejében, koaxiális módon terjedhetnek. Sajnos még ebben az esetben is befolyásolják egymást, mert mindenik OAM mód divergál. Ha elég nagy a távolság két párhuzamos OAM csatorna között, akkor kisebb-nagyobb áthallással nagyobb távolságban is működhetnek. Reflektorokkal, vagy az antennakör átmérőjének növelésével fókuszálhatók az iránykarakterisztika fő lebenyei. A parabolikus reflektor bizonyult a leghatékonyabbnak, ezek közül pedig a teljes antennarácsot magába foglaló változat:

Az alábbi kísérletben egy koaxiális hullámterjedés valósult meg 2.4GHz-en. Az OAM=1 és OAM=2 hullámokat sugárzó antennarács lineárisan polarizált patch antennákból áll.

A koncentrikus antennaköröket 4-4 szögletes patch antenna alkotja, egyenlő távolságban egymástól, a PCB első rézrétegén. Ugyanezen a rétegen kapott helyet az OAM=1 fázistoló hálózata is. Az 1. bemenetre kötött jel fázisa különböző hosszúságú nyomvonalak révén minden antennához másképp érkezik meg (45 fokos fáziskülönbséggel). A nyomvonalak vastagságának változása az impedancia illesztést szolgálja. Ennek a módszernek a hátránya, hogy a leghosszabb utat megtett jel amplitúdója lesz a legkisebb. Az útvonalak közti különbség λ/8. Bár a T típusú teljesítményelosztó-kialakítást enyhít a veszteségeken, sokkal előnyösebb lenne a Butler mátrix alkalmazása. Az OAM=2 fázistoló hálózata a harmadik rézrétegre került, itt a fáziskülönbség 90 fok az antennák között, az úthossz különbség pedig λ/4. A középső rézréteg közös földként szolgál. Az FR4 típusú szubsztrátum vastagsága 1mm, az egész szerkezet mérete pedig 30x30cm.

A legyártott antennák tesztelése a következő paraméterek alapján történt:

Reflexiós tényező

Az S11 és S22 reflexiós tényezők azt mutatják, hogy az elektromágneses hullámok milyen mértékben verődnek vissza az antenna tápvonalán. A visszaverődésből származott teljesítményveszteség százalékos alakja a reflexiós koefficiens négyzete. Minél kisebbek az S-paraméterek, annál nagyobb teljesítmény jut az antennára. A visszaverődés mértéke az impedancia-illesztéstől és az antenna üzemfrekvenciájától függ. A patch antennák mindegyike 2.4GHz üzemfrekvenciára volt tervezve és az antennarács S-paraméterének optimálása is ezen a frekvencián történt. Az elkészült szerkezet S-paraméterének tesztelése vektoriális analizátorral (VNA) lehetséges.

Az S11 az 1. bemenet, az S22 a 2. bemenet S-paramétere. A szimuláció és a valós tesz is 2-2.8GHz-es sávban készült. A fenti ábrából az következik, hogy a 2.26-2.35GHz-es tartományban van a legkevesebb veszteség mindkét bemeneten, vagyis az antennát ebben a sávban érdemes használni.

Fáziseloszlás

Az OAM módok előállításának sikere a fáziseloszláson múlik. Az OAM=1 esetben a fázis egyszer, az OAM=2 esetben pedig kétszer fordul körbe egyazon idő alatt. A numerikus szimuláció fáziseloszlása:

Legegyszerűbben egy monopol antennával lehet megmérni, amit az antennarács elé, azzal párhuzamosan kell elhelyezni az elektromos mező irányában. Miközben az antennarács OAM jelet sugároz, a monopol antenna kis lépésekben végig szkenneli az antennarács felületét. Minden lépésben a VNA megméri az monopol által érzékelt elektromos mező imaginárius és valós részét. A 30x30cm antennarácsról összesen 900 pontban készült mérés, amit később a Matlab ábrázolt.

A mérés során egyszerre csak egy jelbemenet volt táplálva az antennarácson. Az eredmények alapján elmondható, hogy az antennarács képes a két OAM jel sugárzására, legalább is külön-külön.

Iránykarakterisztika

Az iránykarakterisztika mérése horn-antennával történik. Az antennarácsot forgatják, hiszen a sugárzási minta a szög függvényében rajzolódik ki a szférikus koordinátarendszerben. A forgó antennára irányuló horn antenna minden paramétere ismert (főként a polarizáció és a nyereség számít). Az antennák reciprocitásának köszönhetően az adási és vételi iránykarakterisztika egyforma. A vételi iránykarakterisztika mérésekor a horn-antenna a távoltérből sugároz. A tesztantennához kapcsolt vevőegység a forgás minden pillanatában rögzíti a vett teljesítményt. Az adási iránykarakterisztika mérésekor a tesztantenna sugároz, és a horn antennára kapcsolt vevőegység a forgási szög függvényében más-más jelerősséget rögzít. A 3D képhez az tesztantennát meg lehet dönteni 90 fokban és megismételni a mérést.

Mindkét OAM antennái ugyanazon a lemezen vannak, ezért az adási iránykarakterisztikát lehetett megmérni. Először az OAM=1, majd az OAM=2 antennák sugároztak. A szimuláció és a mérés nagyon hasonlítanak. A melléklebenyek a fázistoló hálózat és a másik OAM antennáinak következménye.

Jelátvitel

A jelátvitel két antennarács között zajlik, ahol egyik vevő, a másik adó. Először az OAM=1 és OAM=2 csatornák egymáshoz viszonyított izolációját kell megmérni. A teszt során a két antenna 20 cm távolságra van egymással szemben. Az adóantennára 10dBm teljesítményű (10mW) rádiófrekvenciás generátor csatlakozik 2.3GHz-re állítva, a vevőantennára pedig egy spektrum analizátor, ami a vett jeleket dolgozza fel. Először a vevőantenna OAM=1 kimenetét vizsgálja mindkét esetben (OAM=1, valamint OAM=2 adásakor), majd az OAM=2 kimenetet.

A fenti ábrán látható, hogy mindenik OAM vevő a maga adójának jelére érzékenyebb. Mindkét esetben a jelerősségek közti különbség nagyobb, mint 20dBm, azaz 100mW.

A tesztet egy videójeles kísérlet követ, ahol a videó jelet egy programozható rádió adóvevő (USRP-RIO- Universal Software Radio Peripheral – Reconfigurable Input/Output) állítja elő az adó oldalon, és dolgozza fel a vételi oldalon. A készülék központi eleme egy beépített FPGA, valamint a nélkülözhetetlen digitális-analóg konverterek. A programozhatósága igen széleskörű, használható LabVIEW, Matlab, Simulink, vagy akár közvetlenül C++ szintaxis is. A jelek modulációját egy FBMC (Filter Bank MultiCarrier) modulálja 2.3GHz-en, 20MHz-es sávban. Az FBMC modulátor javítja az interferenciára és a többutas hullámterjedésre való ellenállóképességet.

A kísérlet során az OAM csatornák külön-külön, majd egyszerre is üzemeltek. Az alábbi konstellációs diagramok ezeket az eseteket ábrázolják.

Miközben egyszerre üzemel a két csatorna, az áthallás mértéke nem befolyásolja a videójel átvitelét. Legalább is ebben a távolságban. A távolság növelésével valószínűleg az áthallás mértéke is megnő. Az antennarács méreteit és a hullámhosszt számításba véve kiszámítható, hogy a kísérletben használt 20 cm pontosan melyik mező-régióba esik. Az Elektromágneses sugárzó című bejegyzés alapján, ha az antenna nagyobb fél hullámhossznál (30 cm > 13 cm), akkor a közeltér végét a Fraunhofer távolság adja.

A közeltér vége az antennarács esetén 138 cm-re esik. Eddig a távolságig az antenna jelének amplitúdója nagyon erős, az itt lévő energiaszint sosem jutna el a vevőig a gyakorlatban. Ha a vevő ezen a területen belül van, akkor hatással van az adóra, a jelformálás, a teljesítmény és az energiafogyasztás szempontjából is. A reaktív régió határa  28 cm távolságra esik az antenna felületétől. Ezen a területen az antenna fokozottan érzékeny a környező elektromos vezetőkre, amikről visszaverődnek az elektromágneses hullámok és megváltoztatják az antenna impedanciáját. A kísérletben használt 20 cm miatt maga a vevő antenna, valamint az USRP fémdobozai is befolyásolták az adó paramétereit.

Forrás: https://ieeexplore.ieee.org/document/8574902