Snoede radiobølger skal skaffe båndbredde til hungrende mobilbrugere
Der kan være mere båndbredde på vej til de hungrende mobilbrugere.
To rumfysikere lancerer nu en metode til bedre udnyttelse af det elektromagnetiske frekvensspektrum, der er afsat til mobilkommunikation.
Udover at skelne mellem radiobølger med forskellig frekvens, skal man også skelne mellem radiobølger med forskellig snoning af de elektromagnetiske bølgefronter. Snoningen er udtrykt ved impulsmomentet, der er knyttet til det elektromagnetiske felt.
Bag forslaget står Bo Thidé fra det svenske institut fra rumfysik i Uppsala, Sverige og Fabrizio Tamburini på universitet i Padova i Italien.
Til Nature News forklarer Fabrizio Tamburini, at metoden umiddelbart kan forøge båndbredden med ni gange, uden de store omkostninger, ved at placere fire antenner i hver enhed. Teknologiske forbedringer kan øge båndbredden yderligere, mener han.
Han skønner tilmed, at teknologien kan være må markedet inden for to til fem år.
Snoede radiobølger
Men hvad betyder det egentlig at sno radiobølger, og hvordan giver det mere båndbredde?
I den simpleste form er lys og radiosignaler elektromagnetiske bølger, der udbreder sig med en plan bølgefront. Alle bølgetoppe udgør altså et plan, der står vinkelret på den retning, som bølgen udbreder sig.
I en snoet elektromagnetisk bølge vil bølgefronten derimod rotere som en spiral omkring retningen for bølgeudbredelsen. I den matematiske beskrivelse er det udtrykt ved et særligt impulsmoment for det elektromagnetiske felt (på engelsk orbital angular moment).
Det er værd at notere sig, at dette orbitale angulære moment er uafhængigt af det spin-angulære moment, som er forbundet med, at det elektromagnetiske felt kan være cirkulært polariseret i den ene eller den anden retning.
Spinmomentet kan kun antage to forskellige værdier, mens snoningsmomentet i princippet kan antage uendelig mange værdier - bestemt af hvor kraftigt feltet er snoet.
Det svarer til, at en spindeltrappe kan snos i en af to retninger, men stigningen af snoningen kan antage alle mulige værdier.
Da det er muligt i modtageren at skelne mellem radiobølger med forskellig snoning, kan man altså øge informationsmængden ved at sende og modtage flere forskellige snoninger ved samme frekvens.
Fra lys til mikrobølger
Princippet om, at elektromagnetiske bølger har et impulsmoment, har været kendt i mere end 100 år, men det var først i 1994, at man blev i stand til at producere snoet laserlys med et orbitalt angulært moment.
Nu har Bo Thidé og Fabrizio Tamburini i det radiodøde rum ved Ångstrøm Laboratoriet ved Uppsala Universitet eftervist det samme for radiobølger ved 2,4 GHz - som er et område som er interessant for mobilkommunikation.
De har ladet signalet fra en 7-element Yagi-Uda antenne reflektere fra en otte-trin reflektor, der stort set virker som en perfekt spiral-reflektor med et totalt faseskift på 360 grader.
De har så undersøgt den snoede radiobølge, der derved opstår, med to dipolantenner placeret i fjernfeltet i en afstand af 7 meter (dvs. 55 gange bølgelængden for 2,4 GHz-signalet).
Efter at have afprøvet teknikken under velkontrollerede forhold i det radiodøde rum, vil de nu undersøge kommunikation i støjfyldte omgivelser. De planlægger bl.a. et eksperiment over flere hundrede meter i tværs over lagunen ved Venedig om tre måneder.
Tamburini indrømmer overfor Nature News, at det vanskelige del vil bestå i at sende og modtage snoede radiobølger fra enheder i bevægelser - men det er også et område, forskerne arbejder med.
Også relevant for astrofysik
Det kan synes underligt, at det er to rumforskere, der lancerer idéen om snoede radiobølger til mobilkommunikation.
Det hænger dog sammen med, at de samme forskere også studerer snoede elektromagnetiske bølger, der opstår omkring roterende sorte huller i Universet.
I en helt ny artikel i Nature Physics forklarer Thidé og Tamburini, at det burde være muligt at detektere snoet lys med eksisterende teleskoper, hvis de indstilles korrekt.
Det kan give et helt nyt input til studiet af sorte huller og test af Einsteins generelle relativitetsteori, skriver Martin Bojowald fra Pennsylvania State University i USA i en kommentar i Nature Physics.
Dokumentation
Radio beam vorticity and orbital angular momentum
Light With Orbital Angular Momentum
Beskrivelse af OAM (Orbital Angular Momentum): Giving Light a New Twist
Twisting of light around rotating black holes
Virker forbavsende godt i forbindelse med bevægelig (mobil) kommunikation.. ligner en variant af dens specialiteter, som de tester.
http://en.wikipedia.org/wiki/Helical_antenna
Lavede og brugte sådan en fætter til 2 meterbåndet i 1980'erne, (indre København) og den var fremragende til at holde kontakt med de utallige mobile radioamatører.
Men når det blæste op til storm, så var de med at komme op på taget (4-5 sal) og få 'ålerusen' solidt tøjret :)
Kan man se snoet lys med det menneskelige øje?
Det var da en kringlet(!) måde at forklare cirkulær polarisering :-)
Det er, som jeg skriver i artiklen, netop ikke cirkulær polarisering, der er tale om.
Orbital angular momentum (OAM) - for at holde os til den engelske beskrivelse - er noget helt andet. Se f.eks. referencerne jeg har givet under DOKUMENTATION.
Måske skulle man kalde det for et azimutalt impulsmoment.
En primitiv opfattelse af fotoner som "små kugler" holder ikke.
Den nærmeste primitive opfattelse må være roterende ellipsoider, hvor en roterende hovedakse ikke er sammenfaldende med udbredelsesretningen.
(2 forskellige rotationer).
Meget spændende i forbindelse med sorte huller ! Og man må sige, at mystikken breder sig, når man gør sig den tætte kobling mellem gravitation og elektrodynamik klart - uden at vi endnu har den fulde forståelse.
Er blevet opmærksom på en annonce i Scientific American, april 2011 (side 7) fra Hamamatsu med bl.a. følgende tekst:
Institute of Physics (IOP) (2012, March 2). Pasta-shaped radio waves beamed across Venice. ScienceDaily:
http://www.sciencedaily.com/releases/2012/...
"...
"In a three-dimensional perspective, this phase twist looks like a fusilli-pasta-shaped beam. Each of these twisted beams can be independently generated, propagated and detected even in the very same frequency band, behaving as independent communication channels," Tamburini continued.
...
"Within reasonable economic boundaries, one can think about using five orbital angular momentum states, from -5 (counter-clockwise) up to 5 (clockwise), including untwisted waves. In this instance, we can have 11 channels in one frequency band.
..."
2 March 2012, 'Twisted' waves could boost capacity of wi-fi and TV:
http://www.bbc.co.uk/news/science-environm...
CItat: "...
The technique exploits what is called the "orbital angular momentum" of the waves - imparting them with a "twist".
...
[ Hvem kan forklare forskellen? ;-) : ]
The key lies in the distinction between the orbital and spin angular momentum of electromagnetic waves.
..."
Hvem kan forklare forskellen mellem cirkular polarisation - og elektromagnetisk(f.eks. lys, radiobølger...) orbital angular momentum (OAM).
Hvis det virkelig er rigtigt, betyder det at man bl.a. kan lave nye?:
* bedre optiske mikroskoper
* finde materialer som fungerer ligesom polariserende stoffer a la LCD, men til OAM.
* som de skriver større effektiv udnyttet båndbredde - jeg kan dog ikke se hvordan båndbredde kan bibeholdes for varierende modulation af OAM-kanaler.
Mar 7, 2012, Physicists put a new twist on radio:
http://physicsworld.com/cws/article/news/4...
Citat: "...
Physicists have known for many years that a beam of light can be twisted so that its wavefront rotates around its direction of propagation in a spiral shape. The twisting is achieved by controlling the orbital angular momentum of the light. This property is associated with the shape of a light beam's wavefront – the imaginary line or plane joining the points on a wave that have the same phase.
The orbital angular momentum should not be confused with the more familiar spin angular momentum of light, which is associated with a wave's polarization or direction of oscillation.
...
[Jeg kunne godt tænke mig en demonstration med 4 eller 8 OAM-kanaler - to er ikke nok - måske er det i virkeligheden de 2 ortogonale venstre/højre-drejede polarisationskanaler de sender og modtager?: ]
A specially adapted satellite-dish-style antenna on the lighthouse on St George's Island was used to create radio waves with a frequency of 2.4 GHz and an orbital angular momentum of 1 – the latter meaning that the wavefront is rotated 360° in the space of one wavelength. A standard "Yagi" antenna was also used to send waves of the same frequency but without orbital angular momentum across the same stretch of lagoon.
...
[ Det tyder på, at det IKKE er 2 ortogonale venstre/højre-drejede polarisationskanaler?: ]
By varying the distance between the two receiving antennas on the balcony of the Doge's Palace, the researchers were able to tune in to either the twisted or the untwisted beam. This proves, they say, that they were able to transmit two channels simultaneously using just a single frequency.
...
[ Guleroden - hvis det er rigtigt: ]
it means in principle being able to create an infinite number of channels in a given bandwidth, with each channel encoded using a different orbital angular momentum.
..."
1 marts 2012, Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity: first experimental test:
http://iopscience.iop.org/1367-2630/14/3/0...
Light orbital angular momentum:
http://en.wikipedia.org/wiki/Light_orbital...
Circular polarization:
http://en.wikipedia.org/wiki/Circular_pola...
Spin (physics):
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_%28physi...
Citat: "...
Standard model of particle physics; hence bosons are also called force carriers. These bosons have s=1.
...
Theory predicts the existence of two bosons whose s differs from 1. The force carrier for gravity is the hypothetical graviton; theory suggests that it has s = 2. The Higgs mechanism predicts that elementary particles acquire nonzero rest mass by exchanging hypothetical Higgs bosons with an all-pervasive Higgs field. Theory predicts that the Higgs boson has s = 0. If so, it would be the only elementary particle for which this is the case.
..."
Photon:
http://en.wikipedia.org/wiki/Photon
Citat: "...
Spin 1
...
The photon is massless,[Note 2] has no electric charge,[12] and is stable. A photon has two possible polarization states and is described by exactly three continuous parameters: the components of its wave vector, which determine its wavelength lambda and its direction of propagation.
...
The photon also carries spin angular momentum that does not depend on its frequency.[17] The magnitude of its spin is \scriptstyle{\sqrt{2} \hbar} and the component measured along its direction of motion, its helicity, must be +-h. These two possible helicities, called right-handed and left-handed, correspond to the two possible circular polarization states of the photon.[18]
..."
Hvis 4 antenner, er nok til at lave en spin-modtager, og hver af disse 4 antenner er fyldt op, set udfra et informationsmæssigt synspunkt - hvordan kan man så øge mængden af data, mere end 4 gange?
Det minder lidt om manden, der foreslog at sende med forskellig fase. Som sådan ikke nogen dum idé, når der sendes digitalt. Men er den nu så revolutionerende, at der kan fyldes mere i luften?
En af mine gamle idéer fra da jeg var dreng, var at udskifte sinus kurven, med en anden kurveform. Normalt, kan vi beskrive vores modtagne signal, som en integration med en sinus kurve. Vi kan få to signaler, hvis vi også kan integrere med en cosinus kurve. Nu var fidusen så, om vi kunne bruge en helt anden kurve, f.eks. en kurve der består af sinus, som er frekvensmoduleret med en cosinus funktion. Den skal naturligvis passe i fase, for at kunne modtage signalet - så varieres fasen, må det svare til en anden frekvens, Og vi kan ændre "signalets" frekvens udstrækning, ved at ændre amplituden på det signal, som styrer frekvensen.
Jo, vi har masser af parametre der kan justeres, men kan vi reelt få mere ud af luften af den grund?
Jeg benægter ikke, at vi ud fra et fysisk synspunkt, kan modtage mere fra luften. Kun at vi kan modtage mere end 4 gange så megen information med 4 antanner. Det er muligt med et stort antal informationer i luften, også på samme bølgelængde. F.eks. kan en parabol antenne rettes mod hundreder af forskellige sattelitter. Men skal "elektronisk" kunne vælges mellem disse, så kræves naturligvis et tilsvarende stort antal hoveder. Med et stort antal antenner, er måske muligt at såvel kunne sende, som modtage flere indformationer.
Hvem kan forklare mig forskellen mellem cirkular polarisation - og elektromagnetisk(f.eks. lys, radiobølger...) orbital angular momentum (OAM)-bølger? - eller henvise til dansk eller engelsk litteratur om det?
Bispørgsmål - er der en relation mellem kvantemekanisk spin og OAM?
Hvis det virkelig er rigtigt, betyder det at man bl.a. kan lave nye?:
* bedre optiske mikroskoper
* finde materialer som fungerer ligesom polariserende stoffer a la LCD-polarisationsfiltre, men til OAM.
* som de skriver i New Journal of Physics-artiklen - større effektiv udnyttet båndbredde - jeg kan dog ikke se hvordan båndbredde kan bibeholdes for varierende modulation af OAM-kanaler.
Nogen burde gå forrest og teste om det virker?
Hvorfor kan en opklippet og passende bøjet reflektor (se New Journal of Physics-artiklen, "Figure A4. The helicoidal parabolic antenna") have en sådan OAM virkning?
Er vandret/lodret/venstre/højre-drejede polarisationer ortogonale på OAM-bølger? (måske varierer effekten/fænomenet med afstanden?)
Kan en yagi/helical-antenne laves om til en OAM-antenne ved at klippe og bøje en cirkulær reflektor? Ligesom parabolreflektoren i New Journal of Physics-artiklen?
Kan en yagi/helical-antenne laves om til en OAM-antenne uden at pille ved reflektoren?
Findes der naturlige radiobølge objekt passeringer/reflekteringer, som konverterer en traditionel radiobølge til en eller anden OAM-radiobølge?
Radar burde i den grad kunne få gavn af OAM-bølger?
kan man sende og identificere OAM-superpositioner? F.eks. burde man kunne skelne mellem 3-OAM, 5-OAM og 7-OAM, uanset om de reflekteres eller lægges sammen med andre?
Kan (-1_OAM) + (+1_OAM) ophæve hinanden?
kan to ens antenner som sender samme OAM-superposition, "lægges" sammen eller vil de interferere anderledes end traditionelle polarisationer?
Benytter "spatial_multiplexing" i virkeligheden OAM?:
http://en.wikipedia.org/wiki/Spatial_multi...
Functions of MIMO:
http://en.wikipedia.org/wiki/MIMO#Function...
Citat: "…
In spatial multiplexing, a high rate signal is split into multiple lower rate streams and each stream is transmitted from a different transmit antenna in the same frequency channel. If these signals arrive at the receiver antenna array with sufficiently different spatial signatures, the receiver can separate these streams into (almost) parallel channels. Spatial multiplexing is a very powerful technique for increasing channel capacity at higher signal-to-noise ratios (SNR). The maximum number of spatial streams is limited by the lesser of the number of antennas at the transmitter or receiver.
…"
-
Akustiske bølger med OAM-lignende egenskab i faststof eller måske også i væske og gas (luft)?:
Har akustiske bølger (f.eks. lydbølger) også mulighed for "OAM"-lignende-bølger? Bruger flagermus dem (uden at vide det)? Sonar kan i så fald forbedres?
Kan visse tryk/seismiske/jordskælvsbølger benytte "OAM"-lignende-bølger?
Det kan anvendes til at afdække mineral og olie/gas-forekomster bedre?
-
Hvad med andre bølgetyper? Findes de også i "OAM"-lignende-bølger?
Kan graviationsbølger f.eks. lettere afdækkes hvis de modtages opløst i OAM-"polariseringer"?
-
Mar 7, 2012, Physicists put a new twist on radio:
http://physicsworld.com/cws/article/news/4...
Citat: "...
Physicists have known for many years that a beam of light can be twisted so that its wavefront rotates around its direction of propagation in a spiral shape. The twisting is achieved by controlling the orbital angular momentum of the light. This property is associated with the shape of a light beam's wavefront – the imaginary line or plane joining the points on a wave that have the same phase.
The orbital angular momentum should not be confused with the more familiar spin angular momentum of light, which is associated with a wave's polarization or direction of oscillation.
...
[Jeg kunne godt tænke mig en demonstration med 4 eller 8 OAM-kanaler - to er ikke nok - måske er det i virkeligheden de 2 ortogonale venstre/højre-drejede polarisationskanaler de sender og modtager?: ]
A specially adapted satellite-dish-style antenna on the lighthouse on St George's Island was used to create radio waves with a frequency of 2.4 GHz and an orbital angular momentum of 1 – the latter meaning that the wavefront is rotated 360° in the space of one wavelength. A standard "Yagi" antenna was also used to send waves of the same frequency but without orbital angular momentum across the same stretch of lagoon.
...
[ Det tyder på, at det IKKE er 2 ortogonale venstre/højre-drejede polarisationskanaler?: ]
By varying the distance between the two receiving antennas on the balcony of the Doge's Palace, the researchers were able to tune in to either the twisted or the untwisted beam. This proves, they say, that they were able to transmit two channels simultaneously using just a single frequency.
...
[ En af gulerødderne - hvis det er rigtigt: ]
it means in principle being able to create an infinite number of channels in a given bandwidth, with each channel encoded using a different orbital angular momentum.
..."
1 marts 2012, Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity: first experimental test:
http://iopscience.iop.org/1367-2630/14/3/0...
-
Light orbital angular momentum:
http://en.wikipedia.org/wiki/Light_orbital...
Circular polarization:
http://en.wikipedia.org/wiki/Circular_pola...
Spin (physics):
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_%28physi...
Citat: "...
Standard model of particle physics; hence bosons are also called force carriers. These bosons have s=1.
...
Theory predicts the existence of two bosons whose s differs from 1. The force carrier for gravity is the hypothetical graviton; theory suggests that it has s = 2. The Higgs mechanism predicts that elementary particles acquire nonzero rest mass by exchanging hypothetical Higgs bosons with an all-pervasive Higgs field. Theory predicts that the Higgs boson has s = 0. If so, it would be the only elementary particle for which this is the case.
..."
Photon:
http://en.wikipedia.org/wiki/Photon
Citat: "...
Spin 1
...
The photon is massless,[Note 2] has no electric charge,[12] and is stable. A photon has two possible polarization states and is described by exactly three continuous parameters: the components of its wave vector, which determine its wavelength lambda and its direction of propagation.
...
The photon also carries spin angular momentum that does not depend on its frequency.[17] The magnitude of its spin is \scriptstyle{\sqrt{2} \hbar} and the component measured along its direction of motion, its helicity, must be +-h. These two possible helicities, called right-handed and left-handed, correspond to the two possible circular polarization states of the photon.[18]
..."
-
Dette kabeltype burde kunne formidle alle OAM:
http://en.wikipedia.org/wiki/Single-wire_t...
Citat: "...
a more general mode has recently been discovered and demonstrated which does not have this limitation. "E-Line" is similar to Goubau-Lines in its use of launching horns to couple to and from a radially symmetric wave propagating in the space around a single conductor but different in that it can operate on insulation-free conductors, including those that are polished and completely unfeatured
...
Contrary to Goubau's assertions, it has been shown both possible and practical to launch a surface wave on an uninsulated conductor without special conditioning and without reducing the wave velocity, while still using launches of practical size. In addition, conductors much larger than those used by Goubau have been shown to be completely adequate.
Of particular practical value, common uninsulated single or multistrand overhead power conductor may be used to support very low attenuation propagation over the entire frequency range from below 200 MHz to above 10 GHz while employing a launch device of only 15-20 cm in diameter. This makes available the worldwide installed base of overhead powerline for very high rate information transport.
...
The effects of line taps, bends, insulators and other impairments normally found on power distribution systems have proven to be predictable and managable.
..."
TESLA'S BIG MISTAKE?
William Beaty
http://www.amasci.com/tesla/tmistk.html
Citat: "...
Note that this is a SINGLE WIRE transmission line!
...
It turns out that you can send microwave or UHF signals along a single wire as long as that wire is coated with a dielectric [Nej, ikke nødvendig - se E-line]. To do this, you start out with a normal coaxial cable. You strip the shield from a central section, then solder on a pair of large, cone-shaped copper horns which attach to the coax shield at either end of the coax cable. The dielectric-coated single wire extends between the ends of the coax. Sort of like this
...
The metal cones act as "wave launchers" or "wave catchers".
..."
A History of Surface-Wave Technology:
http://web.archive.org/web/20050130162516/...
Citat: "...The single-wire G-line could transmit microwave RF power with less loss than coaxial cable..."
http://www.corridor.biz/
Citat: "...The PowerCorridortm MOBILE system provides extremely cost effective hole filling and coverage extension with greatly simplified permitting and installation - all at CAPEX costs that are a fraction of alternative solutions. The system supports all wireless systems including 2G, 3G and WiFi..."
-
Se hornet til venstre:
PowerCorridor(tm) MOBILE:
http://www.corridor.biz/Technology.html
Citat: "...
Applications of this discovery easily and inexpensively provides very efficient, linear and broadband transport of information-carrying spectrum anywhere in the 50MHz - 20Ghz frequency range using existing infrastrure.
..."
Broadband over Power Lines:
http://www.rac.ca/en/amateur-radio/regulat...
Citat: "... Surfacewave transmission on an insulated single conductor
was first discovered and presented by Goubau 1 in the early 1950's and
known as G-Line 2 after the inventor. The characteristics of surfacewave
propagation, when used with a variety of dielectric types, thickness
and specially prepared conductors, have been taught and available in
reference texts for many years 3. Though not widely utilized in
practice, the mode can exhibit extremely low radiation and transmission
losses from VHF into the microwave regions..."
-
Endnu et par løsninger med lave tab:
Er vist først interessant ved 3GHz eller højere - ukendt tab/længde:
http://www.corridor.biz/images/coax%20vs%2...
-
Mon man kan lave SWR-måler som måler for hver enkelt OAM? ;-) Kunne det anvendes til TDR på E-lines/G-lines? (OAM-TDR ;-) ):
http://en.wikipedia.org/wiki/Time-domain_r...
http://en.wikipedia.org/wiki/Time-domain_r...
Der forskes i dette, blandt andet på DTU.
Dette fra en person der er til billeder.
Vi har vandret og lodret polarisering, vi har længe haft højre- og venstre snoede Radiobølger. Så engang et billede af et skib, amérikansktilbage I 1964, med en sådan 9 eller 16 element antenne for sam me cirkulære polariseringer. Men man undgår vel ikke en slags "Retningsbestemthed" for sam me antennetype anvendt til Mobiltrafik?
@ Glen Møller Holst
Artiklen fra wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Single-wire_t... holder aldrig vand, der er ikke noget som hedder et gratis måltid mad (Nothing like a free meal), Så nej, det er derfor man arbejder med fibrene!