[論文レビュー] Eliminating Reflections in Waveguide Bends Using a Metagrating-Inspired Semianalytical Methodology

Liran Biniashvili, A. J. Epstein|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 57被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、メタグレーティング設計原理を模倣した単一の被動的散乱体を用いて、急峻なH面波guided湾曲部における反射損失を排除するための半アナリティカル手法を提示する。モード解析および境界輪郭モードマッチングを用いて散乱体とガイドモードの相互作用をモデル化することで、対称性や幾何的変更なしに、多様な湾曲角度および波guided幅において、ほぼ完全な透過（シミュレーションで99.9％以上）を達成する最適な散乱体の配置と形状を同定する。

ABSTRACT

We present a semianalytical method to obtain perfect transmission across abrupt H-plane bends in single-mode rectangular waveguides using a single passive polarizable element (scatterer). The underlying analysis and synthesis schemes are inspired by the rapidly-growing research on metagratings, typically used to manipulate wave trajectories in free-space. These sparse configurations of subwavelength polarizable particles (meta-atoms) are designed by careful tailoring of inter-element near-field and far-field interactions, relying on analytical models to resolve the required meta-atom distribution and geometry to facilitate a desired interference pattern when excited by the incident wave. Utilizing these metagrating design concepts, we develop a modal formalism for obtaining a collection of locations inside the bend junction, in which a passive scatterer may be placed to zero out the return loss. Subsequently, we propose two different shapes for the scatterer and discuss, for each of them, the ways in which their geometrical characteristics may be retrieved. This versatile and efficient methodology, verified via full-wave simulations, can be utilized to eliminate reflection loss in diverse bend configurations, often found in complex wave-guiding systems used for antenna feeding and power transmission. Moreover, these results demonstrate the usefulness and potential of metagrating design concepts for various applications, beyond free-space beam manipulation.

研究の動機と目的

• RFおよびミリ波システムの性能を低下させる、急峻なH面波guided湾曲部における反射損失という長年の問題に対処すること。
• ステップ、ミート、または曲げ構造などの複雑な湾曲構造を必要としない、柔軟で幾何的変更を要しない解決策を開発すること。
• 通常は自由空間ビーム制御に用いられるメタグレーティング設計概念を、ガイド波系に拡張し、散乱体に基づく湾曲補償の効率的でアナリティカルな合成を可能にすること。
• 対称でない構成や多様な角度を含む広範な条件下でも、高性能で低損失の波guided湾曲部を実現すること。各ケースについてフルウェーブ最適化を再び行う必要がないこと。

提案手法

• 本手法は、矩形波guided内に1つの埋め込み散乱体を有する系におけるガイドモードの散乱をモデル化するため、境界輪郭モードマッチング（BCMM）に基づく半アナリティカルなモード形式を採用する。
• Widarta-Kuwano形式を拡張し、散乱体の位置および誘導電流に依存する散乱係数への影響を厳密に組み込む。
• メタグレーティング原理にインspiredされた、正確な配置と幾何形状による干渉パターンの制御を実現する、近場および遠場相互作用のアナリティカルモデルを活用する。
• 円柱形ポストと矩形ロッドの2種類の散乱体形状を提案し、フルウェーブシミュレーションとの整合性を確認した簡略化されたアナリティカルモデルを用いてその幾何形状を特定する。
• 散乱パラメータに制約を設け、自由度（位置および幾何形状）を活用して、ゼロのリターンロスを達成する。これにより、最適化を要しない信頼性の高い設計手順を可能にする。
• 半アナリティカルモデルは、方程式（23）および（24）を用いて最適な散乱体半径を推定する。その有効性は、45°から120°の湾曲角度および0.55λから0.95λの波guided幅の82通りの構成で検証済みである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メタグレーティングを模倣した設計原理を、ガイド波系に効果的に拡張し、波guided湾曲部におけるモード散乱を制御できるか？
• RQ2 急峻なH面波guided湾曲部において、ゼロのリターンロスを達成するための単一の被動的散乱体の最適な配置と幾何形状は何か？
• RQ3 簡略化されたアナリティカルモデルは、完全透過のための最適な散乱体半径をどれほど正確に予測できるか？また、その有効範囲はどの程度の湾曲構成に及ぶか？
• RQ4 本手法は、幾何的変更なしに、非直角および非対称な湾曲部においてもほぼ完全な透過を達成できるか？
• RQ5 半アナリティカルモデルは、波guided湾曲部設計における時間的に長いフルウェーブ最適化の必要性をどの程度低減できるか？

主な発見

• フルウェーブシミュレーションにおいて、テストした構成の95％で透過率が99.9％を超える。82通りのうち74通りでTH > 99.9％を達成した。
• 湾曲角度が75°以上の場合、半アナリティカルモデルは最適な円柱形ポスト半径を高い精度で推定でき、フルウェーブ最適値と比較してTMの差が0.01％未満に収束した。
• 本手法は、1つの構成に対して複数の有効な散乱体位置および半径を提供する柔軟性を備えており、表Iに示される複数の解がそれを裏付けている。
• 半アナリティカルモデルは、r0がa/12から11a/12の範囲で有効であり、r0 sin(Φ/2) > rCおよびr0 < h1を満たす限り、物理的妥当性が保証される。
• 本手法は、45°から120°の湾曲角度および0.55λから0.95λの波guided幅の広範な範囲で反射損失を効果的に低減し、非対称なケースにも対応可能である。
• フルウェーブ最適化への依存度が低減され、特にTMが低いが依然として使用可能な小角度湾曲部において、半アナリティカル推定値がパラメトリックスイープの優れた出発点となる。