비동축 UCA 기반 라디오 소용돌이 통신의 OAM 모드 분해와 채널 특성 연구

본 논문은 오비탈 각운동량(OAM) 기반 라디오 소용돌이 무선 통신에서 가장 널리 사용되는 안테나 구조인 유니폼 원형 배열(UCA)의 새로운 배치 방식을 연구한다. 기존 연구들은 송신 UCA와 수신 UCA가 동일 축을 공유하고 정확히 정렬된(coaxial) 상황을 전제로 채널 모델을 구축하고, OAM 모드들을 직교적으로 전송·수신하는 방식을 제안하였다. 그러나 실제 이동통신 환경에서는 두 안테나가 완벽히 정렬되기 어려우며, 특히 평행하지만 중심이 서로 어긋난(non‑coaxial) 경우가 흔히 발생한다. 이러한 비동축 배치는 각 원소 간 거리 차이를 초래해 전파 위상에 비선형적인 왜곡을 일으키며, OAM 모드의 직교성을 손상시켜 수신 복잡도를 크게 증가시킨다. 논문은 먼저 비동축 구조를 3차원 좌표계로 정형화한다. 송신 UCA는 반경 r, 수신 UCA는 반경 R이며, 두 원의 중심 사이 거리를 d, 포함각 φ(축과의 기울기)와 θ(수평 평면 내 투영 각)로 정의한다. 송신 원소 n의 위치는 (r cos(ϕₙ+α_r), r sin(ϕₙ+α_r), 0)이며, 수신 원소 m의 위치는 (R cos(ψₘ+α_R)−d sin φ cos θ, R sin(ψₘ+α_R)−d sin φ sin θ, d cos φ) 로 표현된다. 여기서 ϕₙ=2π(n−1)/N, ψₘ=2π(m−1)/M이다. 두 원소 사이 거리 dₘₙ을 정확히 계산한 뒤, d≫r, R라는 전제 하에 거리 제곱근을 1차 근사(√(1−2x)≈1−x)하여 복잡한 제곱근을 선형화한다. 이 과정에서 거리 차이에 기인한 위상 항을 Bessel 함수 형태로 정리할 수 있음을 발견한다. 채널 이득 hₘₙ은 전파 손실, 거리 위상, 그리고 비동축으로 인한 위상 보정 항을 모두 포함한다. 최종 식은 hₘₙ ≈ β λ / (4π √(d²+r²+R²)) · exp