Розробка антен для генерації хвиль, що несуть орбітальний кутовий момент

Збільшення пропускної спроможності та покращення спектральної ефективності стали основними цілями при розробці сучасних систем бездротового зв’язку. Орбітальний кутовий момент (OАM, вихровий момент) — це ще один фізичний вимір електромагнітної хвилі, крім амплітуди, частоти, фази та поляризації. Їх ортогональні канали дозволяють підвищити пропускну здатність радіопередачі за рахунок використання різних режимів OАM. Окрім бездротового зв’язку, також очікується, що використання вихрових хвиль, що мають ОАМ, може значно покращити роздільну здатність радарів. Метою нашого проекту є розробка та випробування антенних систем для генерації та прийому хвиль, конфігурація яких володіє ОАМ. Планується дослідити можливість виконання мультиплексування за довжиною хвилі (WDM), поляризаційного мультиплексування (PDM) і просторового мультиплексування (SDM) в системах, що несуть ОАМ. За допомогою антенних систем, виготовлених в рамках цього проекту, передбачається досліджувати взаємодію хвиль ОКМ з різними типами поверхонь (плоскими, криволінійними, відбивними, заломлюючими та ін.). Проєкт сприятиме створенню нового покоління антенних систем, які знайдуть своє застосування як у цивільних, так і у військових додатках.

ОПИС ПОТОЧНИХ ДОСЯГНЕНЬ (ДОРОБОК, НАПРАЦЮВАНЬ), ЯКЩО ТАКІ ВЖЕ Є ЗА ВІДПОВІДНОЮ ТЕМАТИКОЮ

У нашому попередньому дослідженні [1] ми продемонстрували стратегію багатодіапазонної роботи OAM-MDM мікрохвильової антени на основі компактного набору мікросмужкових кільцевих резонаторів (див. Рис. 1). Отримані результати свідчать про можливість використання запропонованої антени як малогабаритного та недорогого випромінювача, здатного працювати в режимі OAM-MDM на кількох несучих частотах. Експериментально були отримані фазові діаграми та профілі амплітуди антени, які підтверджують, що антена може генерувати хвилі OAM різного порядку та спіральності.

У межах цього проєкту ми маємо намір додатково модифікувати конструкцію цієї антени, а також запропонувати декілька нових розробок на основі мікросмужкових та/або діелектричних резонаторів, щоб реалізувати практичну систему зв’язку, яка виконує операції мультиплексування/демультиплексування на хвилях, що несуть OAM. Принципова схема системи, що розглядається в цьому проєкті, наведена на Рис. 2. Вона доповнена фотографією зовнішньої експериментальної установки лінії зв’язку, взятої з джерела [2] для ілюстрації. За допомогою розробленої антенної системи ми виконаємо дослідження взаємодії вихрової хвилі з різними об’єктами, використовуючи методи вимірювання полів, як у дальній, так і у ближній зонах. Для цих досліджень ми застосуємо методи, що були нами розроблені та використані раніше при вивченні характеристик діелектричних антен і метаповерхонь (без ОАМ) [3-8].

Далі ми наведемо деякі подробиці про наші підходи та методи, що будуть використовуватись при виконанні завдань цього проєкту.

Ми маємо намір розробити антени для їх роботи у НВЧ діапазоні. Для цього прототипи антен будуть виготовлені з комерційно доступних металевих, діелектричних і керамічних матеріалів. В якості базового матеріалу для виробництва мікросмужкової антени будуть використані стандартні пластини Rogers RT/duroid 5880. Антени будуть виготовлені з використанням доступних в Україні технологій літографії. Кераміку для виробництва діелектричних антен буде придбано у іноземного виробника, а самі резонатори будуть виготовлятися методом гідроабразивного різання, який є поширеним в Україні.

Числове моделювання здійснюватиметься шляхом поєднання спеціалізованих, вільно доступних та комерційних програмних пакетів. Обчислювальні методи в галузі електродинаміки відіграють центральну роль у моделюванні та проектуванні антенних систем, оскільки вони дозволяють розв’язувати рівняння Максвелла в трьох вимірах без будь-яких наближень. Враховуючи той факт, що аналітичний розв’язок проблеми випромінювання та поширення ОАМ хвиль можливий лише в кількох найпростіших випадках, автори проєкту використовуватимуть ліцензійне програмне забезпечення для розрахунків. Відповідну ліцензію мають автори проєкту з попереднього фінансування. В якості такого програмного забезпечення ми будемо використовувати Ansoft HFSS. Цей програмний пакет зарекомендував себе як ефективний інструмент для моделювання антенних систем.

Для повної реалізації всього переліку завдань потрібно більш глибоке фундаментальне розуміння властивостей генерації та поширення OAM хвиль у різних середовищах. Їх математичний опис буде здійснено за допомогою програмного середовища Matlab із застосуванням наших індивідуальних алгоритмів та підходів.

Для перевірки характеристик розроблених антен, виходячи із наших експериментальних можливостей, ми проведемо експериментальне дослідження в діапазоні частот від 1 ГГц до 40 ГГц. Під час експериментальних досліджень ми будемо вимірювати, як стандартні параметри антени (наприклад, коефіцієнт підсилення, спрямованість, тощо), так і специфічні параметри для ОАМ хвиль (наприклад, просторовий розподіл фаз, чистоту ОАМ мод, див. [9]). Те саме стосується вивчення взаємодії вихрової хвилі з різними середовищами та об’єктами. Будуть використані такі методи:

(а) Щоб виміряти стандартні параметри антени, ми помістимо її у безлунну камеру. Лабораторія з безлунною камерою знаходиться в північному корпусі Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна. Антена для тестування буде підключена до першого порту векторного аналізатора кіл (vector network analyser, VNA) для випромінювання хвиль. У нашому розпорядженні є VNA Rohde & Schwaz ZNB40, придбаний за кошти попередніх проєктів, що виконувались. Друга антена, підключена до другого порту VNA, буде приймати переданий сигнал. Під час вимірювань ми отримаємо комплексні коефіцієнти матриці розсіювання в широкому діапазоні частот, з якої за допомогою спеціальних алгоритмів отримаємо інформацію про характеристики антени, що досліджуються.

(б) Для вимірювання коефіцієнта пропускання та відбиття вихрових хвиль від об’єктів ми будемо використовувати ту саму установку, де будуть використовуватися дві антени. Одна антена буде генерувати вихрову хвилю, а друга антена її прийматиме. Під час вимірювань ми отримаємо комплексні коефіцієнти матриці розсіювання хвилі від об’єкту в широкому діапазоні частот. Виміряні дані комплексних значень параметрів S11 і S21 будуть перераховані в потрібні нам характеристики.

(в) Метод сканування ближнього поля буде використано для аналізу просторового розподілу ближнього електромагнітного поля. Він полягає в реєстрації розподілу амплітуди і фази електромагнітного поля шляхом введення невеликого вимірювального зонда. Фотографії зондів, що ми виготовили та випробували раніше, наведено на Рис. 2. Реєстрація картин просторового розподілу вихрового поля буде здійснюватися за допомогою прецизійного 3-х осьового сканера. Сигнал від вимірювального зонда реєструється векторним аналізатором електричних кіл.

ІНФОРМАЦІЯ ПРО МІЖНАРОДНІ ПРОЄКТИ, ЯКЩО БУЛИ (ЗАКРИТІ/ПОТОЧНІ) ТА В РАМКАХ ЯКИХ ПРОВОДИЛИСЯ ДОСЛІДЖЕННЯ

Доктор фізико-математичних наук Володимир Туз має значний досвід у галузі аналітичного опису, розрахунку, виготовлення та тестування антенних систем, складних штучних структур і метаматеріалів [1-6]. Він запропонував оригінальні конструкції антен, метаматеріалів, чиї унікальні характеристики підтверджені роботами інших авторів (див. кількість цитувань на роботи автора). Його науковий профіль повністю відповідає тематиці цього проєкту. Зокрема, ним запропоновано дизайн та проведено дослідження мікросмужкової антени, що генерує ОАМ хвилі. Передбачається використання розробленої антени у запланованих експериментах та її подальше вдосконалення.

Володимир Туз також має досвід роботи, як в академічних інститутах (Інститут радіоастрономії НАНУ), так і в промисловості (Samsung Electronics). Будучи учасником програми “The Thousand Talents Plan”, він п’ять років працював в університеті провінції Цзілінь (Jilin University) у Китайській Народній Республіці як керівник групи, де він створив лабораторію для мікрохвильових вимірювань. Він має широку мережу міжнародних зв’язків. У цьому проєкті його експертиза розповсюджується на загальне адміністрування та всі наукові та технічні аспекти виконання проєкту.

КОНТАКТИ ВИКОНАВЦЯ / КОМАНДИ ВИКОНАВЦІВ ІЗ ЗАЗНАЧЕННЯМ ТАКОЖ ПРОФІЛЮ В SCOPUS ТА ORCID (ДЛЯ МОЖЛИВОГО ПРЯМОГО КОНТАКТУ)

Доктор фізико-математичних наук Володимир Туз, e-mail: vladimir.r.tuz@gmail.com
(Scopus 24081814200, ORCID https://orcid.org/0000-0001-6096-7465)

Доктор фізико-математичних наук Володимир Фесенко, e-mail: volodymyr.i.fesenko@gmail.com
(Scopus 7006066345 ORCID https://orcid.org/0000-0001-9106-0858)

Доктор фізико-математичних наук Сергій Бердник, e-mail: berdnik@karazin.ua
(Scopus 8342564200, ORCID https://orcid.org/0000-0002-0037-6935)

Доктор фізико-математичних наук Віктор Катрич, e-mail: vkatrich@karazin.ua
(Scopus 6602560537, ORCID https://orcid.org/0000-0001-5429-6124)

Кандидат фізико-математичних наук Максим Легенький, e-mail: mlegenkiy@karazin.ua
(Scopus 24341144000, ORCID https://orcid.org/0000-0002-5945-4002)

Кандидат фізико-математичних наук Євгеній Антоненко, e-mail: antonenko@karazin.ua
(Scopus 57220835889 , ORCID https://orcid.org/0000-0003-1090-5017)

Науковий співробітник Дмитро Штода, e-mail: shtoda@karazin.ua
(Scopus 57200139098, ORCID https://orcid.org/0000-0001-9831-6510)