西安交通大学、通信用渦ビームを生成する低コストのOAMビームジェネレータを3Dプリント

2025年1月2日、南極熊は、西安交通大学の研究者が無線通信用の特殊な渦ビームを生成できる新しい3Dプリント装置を開発したことを知りました。この装置は、通常の光線よりも多くのデータを伝送できる回転エネルギーの一種である軌道角運動量 (OAM) を持つ渦ビームを生成します。効率的でコンパクトかつ低コストの渦ビーム発生器は、将来の無線システムの容量と信頼性の向上に役立つ可能性があります。
△ 3D プリンティングにより、軌道角運動量を持つ渦ビームを生成でき、ゲインフィルタリング機能を統合した低コストで効率的なデバイスが実現しました。画像は西安交通大学提供。関連研究は「帯域外ゲインフィルタリング特性を強化した3DプリントOAMビームジェネレータ」という論文とともに、Optics Express誌に掲載されました。

論文リンク: https://doi.org/10.1364/OE.542046
「5G/6Gワイヤレスネットワークなどのアプリケーションにおける高容量で干渉に強い通信システムへの需要の高まりには、革新的なソリューションが必要です」と、中国の西安交通大学の研究チームリーダーであるJianxing Li氏は述べています。「OAMを運ぶ渦ビームはスペクトル効率と通信容量を向上させる可能性がありますが、これらのビームを生成する現在の方法は、効率の低さ、製造コストの高さ、有害な周波数帯からの干渉の影響を受けやすいという問題があります。」
この研究では、研究者らは、高度な無線通信用の複雑なアンテナシステムとして機能する OAM ビームジェネレーターを 3D プリントを使用して作成した方法について説明しています。このデバイスは大容量の渦ビームを生成し、統合ゲインフィルタリングを備えており、目的の信号を増幅しながら干渉をブロックし、クリアで効率的な伝送を保証します。
△ (a) SLMプリントOAMビーム発生器の概略図、(b) 測定環境。
「当社のOAMビームジェネレーターは、5G/6G無線通信やリモートセンシング、イメージングに特に適しています」と、論文の責任著者であるYuanxi Cao氏は述べた。「例えば、このようなデバイスを通信塔に統合すると、音楽フェスティバルやスポーツイベントなどの大規模な集まりでのストリーミングやオンライン接続が改善される可能性があります。このようなイベントでは、ユーザー密度が高いために既存のネットワークが圧倒され、速度低下や切断につながることがよくあります。」
新しい 3D プリント OAM ビームジェネレーターは、統合されたゲインフィルター電力分配器を使用して、ソースで不要な周波数を除去しながら信号を均等に分配します。これにより干渉が最小限に抑えられ、追加の外部コンポーネントの必要性が減ります。研究者らはまた、誘電損失を回避するために空気で満たされた全金属構造を使用し、それによってより高い放射効率とより大きな電力処理能力を確保した。
△ OAMビームジェネレータの構成。 (a) トポロジー、(b) 円形アンテナアレイの位相関係、(c) 空気モデルを使用した構成。
このデバイスは、まず内蔵の電力分配器を使用して入力信号を 8 つの均等な部分に分割し、途中で不要な周波数を除去します。次に、各信号は特別な経路を通過し、そこで位相が調整され、渦ビームを作成するために必要な正確な位置合わせが実現されます。最後に、信号は円形のアンテナアレイを介して送信され、望ましい特性を持つ渦ビームが生成されます。
研究者らは、帯域内信号を正確に伝達し、帯域外信号を除去するために、高度なシミュレーションを行ってフィルタリングされた電力分配器を微調整した後、高精度で表面粗さが低いことで知られるアルミニウム合金から、選択的レーザー溶融法を使用して 3D プリントしたプロトタイプデバイスを作製しました。「選択的レーザー溶融法 3D プリントを使用して、デバイスをモノリシック構造として製造しました」と Cao 氏は述べています。「これにより、組み立ての必要がなくなり、製造コストが削減され、コンポーネントの正確な位置合わせが保証されます。これらはすべて、高周波アプリケーションにとって重要です。」
実験テストにより、プロトタイプデバイスが約 80% のモード純度で目的のビーム特性を達成したことが確認されました。また、30 dB を超える高い帯域外除去性能を発揮し、干渉を大幅に低減し、クリアな信号伝送を保証します。
研究者は現在、ゲイン、効率、信号フィルタリングを改善することで、OEM ビームジェネレータのパフォーマンスを向上させることに取り組んでいます。また、マルチモード OAM 生成を調査し、テラヘルツ通信などのより広い周波数範囲でテストすることで、潜在的なアプリケーションを拡大する予定です。研究者らは、このデバイスを商品化するには、拡張性を実現するために3Dプリントを改善し、既存のシステムと統合し、規制遵守を確保し、5Gや衛星通信などの実際のアプリケーションでのパフォーマンスを検証する必要があると指摘している。

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