Radio communications using Orbital Angular Momentum

Il momento angolare orbitale, normalmente identificato con l’acronimo inglese OAM (Orbital Angular Momentum), é una proprietá fondamentale dei campi elettromagnetici legata alla loro distribuzione; campi con OAM diverso da zero sono infatti caratterizzati da intensitá a forma di ciambella e da fronti d’onda che si avvolgono a spirale. Al pari della frequenza, anche l’OAM rappresenta un grado di libertá di un’onda elettromagnetica e puó essere utilizzato per la sua identificazione. Infatti, due campi aventi la stessa frequenza ma diverso valore di OAM possono essere distinti quando i loro fronti d’onda vengono ricevuti interamente. Questa caratteristica fa sí che i campi elettromagnetici con OAM formino una base ortogonale e che possano essere distinti direttamente a livello fisico, senza il bisogno di post processing digitale. Le onde con OAM sono quindi particolarmente interessanti per lo sviluppo di nuovi sistemi radio multiplexing sia su lunga che su breve distanza, argomento esaminato sia teoricamente che sperimentalmente nella presente tesi. Lo studio inizia con l’esame dello stato dell’arte sulle onde radio con OAM per individuarne caratteristiche ed applicazioni legate alle telecomunicazioni. Viene quindi studiato un particolare tipo di antenne paraboliche, dette anche “conformate”, in grado di generare e di riconoscere onde radio con diversi valori di OAM. Usando queste antenne, viene quindi condotto uno studio sperimentale per valutare un prototipo di sistema multiplexing su lunga distanza, composto da tre canali isofrequenziali. L’esperimento evidenzia le difficoltá, precedentemente individuate nella fase di studio, riguardanti l’implementazione di un simile sistema. Durante la propagazione, infatti, i fronti d’onda si espandono a causa della diffrazione e risulta complicato riceverli interamente senza l’impiego di antenne ingombranti. Questo comporta una notevole difficoltá nello sfruttamento dell’ortogonalitá fra onde radio con OAM su lunghe distanze e costituisce un forte limite all’implementazione di un sistema multiplexing. Per ovviare a questo problema la tesi esamina tre possibili soluzioni. Nella prima considera un metodo per concentrare la distribuzione di un campo elettromagnetico con OAM mediante la sovrapposizione di modi interi e consecutivi. Nella seconda, studia la generazione di campi con OAM detti “di ordine superiore”, (higher order vortex beams), caratterizzati da una distribuzione di intensitá piú compatta. Nella terza, infine, esamina la possibilitá di distinguere due onde radio con diverso OAM mediante una ricezione parziale del loro campo elettromagnetico. Quest’ultima soluzione, analizzata mediante il formalismo dei sistemi MIMO e di modelli teorici sulla propagazione delle onde con OAM, consente anche di operare un confronto generale fra sistemi multiplexing basati sulle odierne tecniche MIMO e quelli basati su onde radio con OAM. Lo studio di sistemi a lunga distanza si conclude quindi esaminando le sovrapposizioni di campi elettromagnetici con valori opposti di OAM. Queste infatti, essendo caratterizzate da una distribuzione semplice e regolare, possono costituire un’interessante opzione per semplificare la struttura di sistemi di comunicazione basati su onde con OAM. Infine, nell’ultima parte, la tesi esamina sistemi multiplexing su breve distanza dove i campi elettromagnetici con OAM vengono utilizzati non solo per implementare un multiplexing ma anche per aumentare, direttamente a livello fisico, la sicurezza della comunicazione.