Radio communications using Orbital Angular Momentum

Orbital Angular Momentum (OAM) is a fundamental property of electromagnetic fields, associated to helicity of waves phase fronts. Like frequency and polarization, it represents a degree of freedom of an electromagnetic field and can be used for its identification. In fact, two waves with the same frequency but different OAM values can be distinguished from each other when their whole phase fronts are collected. Electromagnetic fields with nonzero OAM form an orthogonal basis and can be discriminated, without any digital post processing, at the physical layer. For this reason, they represent an interesting tool for the development of new multiplexing systems that better exploit the electromagnetic spectrum. Within this context, this thesis presents the main results of theoretical and experimental studies on the application of OAM waves to radio multiplexing systems. It starts by considering the state-of-the-art of radio OAM waves, in order to identify features and applications concerning telecommunications. Then, it examines special parabolic antennas, also known as conformal antennas, that can generate and recognize electromagnetic waves at radio frequency with integer values of OAM. These antennas are then employed in practical experiments to test long-range multiplexing system prototypes, where three channels are transmitted and received on the same frequency and polarization state. The experiments study the difficulties of exploiting OAM modes orthogonality over long distances. In fact, due to diffraction, the size of field distributions increases more and more during propagation. Therefore, over long distances, it is necessary to use large antennas to collect their whole phase fronts. To overcome this problem and reduce the size of the received fields two interesting solutions are presented. The first one concerns a particular effect of field concentration that can be obtained superimposing electromagnetic waves with integer and consecutive values of OAM. The second one, on the contrary, studies the generation process for a special class of OAM fields, called higher order vortex beams, that are characterized by a more compact intensity distribution. Hence, the thesis considers the possibility of distinguish radio waves with different OAM values by receiving only a small portion of the phase fronts. This latter study, developed by using MIMO systems theory and theoretical models on OAM beams propagation, focuses also in the comparison between general multiplexing systems based on today MIMO technology with the ones based on OAM waves. The analysis of long-range systems is then concluded by examining, both theoretically and experimentally, the superposition of waves with opposite values of OAM. These fields, in fact, are characterized by a more regular distribution and can be useful in simplifying the structure of OAM-based communication systems. In the end, the thesis considers short range communications where OAM waves are used not only for multiplexing purposes but also to increase, directly at the physical layer, the communication security.

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.