[論文レビュー] Addition Theorem Revisiting for Phase/Amplitude-Encoded Metasurfaces: Asymmetric Spatial Power Dividers

Hamid Rajabalipanah, Ali Abdolali+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 4被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、位相/振幅符号化メタサーフェスの加法定理を再考し、独立したビームパワー比と方向制御を可能にする修正された形式を提案する。3ビットのパーンチャラトナム＝ベリー準原子を用いて位相と振幅を共同で変調することで、ブルートフォース最適化を用いずに、事前に定めたパワー分布を複数ビームに任意に分配可能であり、シミュレーションによりパワー比の精度が3%未満の誤差に抑えられることを確認した。

ABSTRACT

Recent years have witnessed an extraordinary spurt in attention toward the wave manipulating strategies revealed by coding metasurfaces as they build up a bridge between the physical and digital worlds. Newly, it has been shown that when two different coding patterns responsible for doing separate missions are added together based on the superposition theorem, the mixed coding pattern will perform both missions at the same time. In this paper, via a semi-analytical procedure, we demonstrate that such a theorem is not necessarily valid for all possible functionalities with considering phase-only coding distributions and ignoring the element pattern function. By revisiting the addition theorem, we introduce the concept of asymmetric spatial power divider (ASPD) with arbitrary power ratio levels in which modulating both amplitude and phase of the meta-atoms is inevitable to fully control the power intensity pattern of the metasurface. Numerical simulations illustrate that the proposed ASPD driven by proper coding sequences can directly generate a desired number of beams with pre-determined orientations and power budgets. The phase/amplitude-encoded Pancharatnam-Berry meta-atoms realize the required coding pattern in each case and good conformity between simulations and theoretical predictions verifies the presented formalism. This work exposes a new opportunity to implement spatial power dividers for various applications such as multiple-target radar systems, beamforming networks, and multiple-input multiple-output (MIMO) communication.

研究の動機と目的

• メタサーフェスのビームにおける非対称パワー分配を迅速かつ解析的に制御するための手法の欠如に対処すること。
• 位相のみ符号化メタサーフェスにおいて振幅変調を無視する過去の重ね合わせ定理の限界を特定すること。
• 任意のビーム方向と事前に定義されたパワー比を持つ空間的パワー分配器の設計のための準解析的フレームワークを構築すること。
• メタサーフェスにおけるパワー強度分布を完全に制御するには、位相と振幅を同時に変調する必要があることを示すこと。
• 反復的でない、設計に即したアプローチを提供することで、MIMO通信やマルチターゲットレーダーなどの実用的応用を可能にすること。

提案手法

• 位相のみの仮定を越えて、振幅変調を組み込むことで、符号化メタサーフェスにおける重ね合わせの原則を再考する。
• 式(12)に示される修正された加法定理を導出し、位相および振幅符号化係数に基づいて、重ね合わせビームの正確なパワー比を予測する。
• 3ビットの位相/振幅符号化パーンチャラトナム＝ベリー準原子を用い、局所的な反射位相と振幅を独立して制御する。
• 勾配メタサーフェスを設計するための準解析的形式を採用し、所望の角度にピントを合わせたペンシルビームを、所定のパワーレベルで生成する。
• CST Microwave Studioを用いたフル波動シミュレーションにより設計を検証し、理論的予測とシミュレートされた散乱パターンを比較する。
• 標準入射下での二方向散乱パターン測定を用いて、ビーム方向およびパワー比の正確さを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の符号化メタサーフェスの加法定理は、パワー比の正確な予測が可能なように振幅変調を含めるように拡張可能か？
• RQ2 位相のみ符号化における振幅変調の無視が、重ね合わせベースのビームフォーミングに与える影響は何か？
• RQ3 任意の非対称パワー分配を実現し、複数ビームの方向を独立して調整可能な空間的パワー分配器を設計可能か？
• RQ4 ブルートフォース最適化を回避するための準解析的フレームワークをどのように構築できるか？
• RQ5 位相/振幅符号化メタ原子は、複数ビーム構成において、どの程度の精度でパワー比を制御可能か？

主な発見

• 修正された加法定理により、重ね合わせメタサーフェスにおけるビームパワー比の正確な予測が可能となり、シミュレーションではパワー比誤差がわずか3%に抑えられた。
• 最初の例では、提案されたASPD設計が理論値1.00に非常に近いパワー比1.03を達成し、意図した15°および35°のビーム角度を実現した。
• 2番目の例では、シミュレートされたパワー比0.705が理論値0.719と高く一致し、理論とシミュレーションの間の高い一致度を示した。
• 反復的または最適化ベースの設計手順を一切必要とせず、任意の方向と非対称パワーレベルを持つ2ビームを効果的に生成できた。
• 3ビットの位相/振幅符号化メタ原子の使用により、位相と振幅の独立した制御が可能であり、提案手法の実現可能性が裏付けられた。
• 全フレームワークはフル波動シミュレーションにより検証され、提案手法がビームフォーミング応用において正確かつ効率的であることが確認された。