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

Das 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.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Lei Wang, Ph.D., bis 8/2020