2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16793Das hier vorgeschlagene Projekt soll einen wissenschaftlichen Beitrag im Bereich der drahtlosen Kommunikation auf Basis von elektromagnetischen Wellen, die Bahndrehimpuls (Englisch: Orbital Angular Momentum, OAM) im unteren Bereich des Mikrowellenspektrums (bis 10 GHz) zeigen, machen. OAM-tragende Wellen wurden in der Vergangenheit vor allem im optischen Bereich des Spektrums erforscht und benutzt. Erst seit ca. zehn bis fünfzehn Jahren wird die Verwendung zur drahtlosen Kommunikation bei „Radiofrequenzen“ erforscht bzw. befindet sich aktuell in der Erforschung. Obwohl mittlerweile gezeigt werden konnte, dass OAM-Antennen prinzipiell äquivalent zu MIMO-Antennen sind und damit keinen wirklich Gewinn an Bandbreite im Vergleich zu bekannter Technologie erwarten lassen, gibt es dennoch viele offene, wissenschaftliche Fragen in Bezug auf Aussendung, Ausbreitung und Empfang von OAM-Wellen. Fragen, die in diesem Projekt erforscht werden sollen beziehen sich sowohl auf die grundlegenden elektromagnetischen Eigenschaften (Reflektion, Beugung, Streuung, Schirmung, Superposition/Interferenz usw.) als auch die mehr anwendungsrelevanten Eigenschaften für die Kommunikationstechnik (Auswahl einzelner Antennen, Entwurf des Antennen-Arrays, Isolation der Moden, Impedanzanpassung, sinnvoller Abstandsbereich, Betrachtungen in Bezug auf die Bandbreite, Verhalten beim Einsatz in komplexer Umgebung bzw. Umgebungen mit Störsendern usw.). Um das zu ermöglichen, schlägt dieses Projekt eine Kombination von numerischen und experimentellen Ansätzen vor. Numerische Simulationen werden durch ein eigenes, auf der Momenten-Methode basierendes Tool durchgeführt werden. Parallel werden OAM-Protoptypen entworfen und in einer Antennenmesskammer der TUHH geprüft werden. Die Ergebnisse werden mit denjenigen aus der Simulation verglichen und zur Validierung verwendet werden. Die spezifischen Zielsetzungen des Projektes hierbei sind: (1) Besseres Verständnis und Beschreibung der grundlegenden elektromagnetischen Eigenschaften von OAM-Wellen wie Reflexion, Beugung, Streuung, Superposition/Interferenz und ihres Verhaltens in komplexen Umgebungen verbunden mit Mehrwegeausbreitung. (2) Generierung von Leitlinien für den Entwurf von OAM-Antennenarrays mit Bezug sowohl auf die Beiträge der einzelnen Antennenelemente als auch des Arrays. (3) Quantifizierung und Bewertung OAM-basierter Kommunikation in komplexen Umgebungen und unter Einfluss von elektromagnetischer Interferenz. (4) Entwicklung eines Messverfahrens für OAM-Antennenarrays und OAM-basierte Kommunikation mit Hilfe eines vorhandenen Antennemesssystems an der TUHH und Validierung von ausgewählten Simulationsresultaten. Wir sind überzeugt, dass die Ergebnisse dieses Projektes darüber hinaus auch die praxisrelevante, ingenieurstechnische Fragestellung nach dem Potenzial der OAM-basierten Kommunikation in einem größeren Anwendungsbereich wird beantworten helfen.The proposed project here aims to contribute scientifically in the area of wireless communication based on the Orbital Angular Momentum (OAM) property of electromagnetic waves in the lower part of the microwave spectrum (up to 10 GHz). OAM carrying waves have been explored and used in the past mostly in the optical regime. Only about ten to fifteen years ago utilization for wireless communication at “radio frequencies” started to be explored and is still being explored. While it could be shown during this time that OAM antennas are in principle equivalent to MIMO antennas and, hence, there is no real bandwidth advantage over existing technology there are still many open scientific questions related to OAM waves generation, propagation, and reception. Questions being explored in this project pertain both to the fundamental electromagnetic perspective (reflection, diffraction, scattering, shielding, superposition/interference etc.) as well as to the more applied communication engineering perspective (individual antenna choice, array design, mode isolation, impedance matching, useful range of distances, bandwidth considerations, behavior in complex environments and environments with aggressors etc.). To allow this, the project proposes a combination of numerical and experimental approaches. Numerical simulations will be performed an in-house tool based on the method of moments. In parallel, prototypes of OAM antennas will be designed and tested in an antenna measurement chamber at TUHH, the results of which will be compared to results of simulations for validation. The specific objectives of project are as follows: (1) Better understanding and description of fundamental electromagnetic properties of OAM waves such as reflection, diffraction, scattering, shielding, superposition/interference as well as behavior in complex environments leading to multi-path propagation. (2) Generation of guidelines for OAM antenna array design both with respect to the contribution from the individual antenna element as well as the contribution of the array design. (3) Quantification and evaluation of OAM based communication in complex environments and subject to electromagnetic interference. (4) Development of a measurement procedure for OAM antenna arrays and OAM based communication using an existing antenna measurement system at TUHH and validation of selected numerical results. We are convinced that the results of this project will also help to further elucidate the practical, engineering side of the question whether OAM based communication has the potential for a wider range of applications or not.