[論文レビュー] Intelligent Radome Design Using Multilayer Metamaterial Structures to Realize Energy Isolation and Asymmetric Propagation of Electromagnetic Wave

Jing Yuan, Kong Xiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2020

Advanced Antenna and Metasurface Technologies参考文献 27被引用数 31

ひとこと要約

本稿では、PINダイオードのアクティブ制御により非対称な電磁波伝搬と高出力電磁波（HPEMW）遮断を実現する多層メタマテリアル構造を用いたインテリジェントレーダムを提案する。広帯域偏光コンバータ（PC）とアクティブ周波数選択レーザーバー（AFSR）を統合することで、低出力信号は非対称に透過する一方、1.8 GHz以上のHPEMWは吸収され、3.48–3.58 GHz帯で1 dB未満の挿入損失、2.3–4.4 GHz帯で90%以上の吸収率を達成する。

ABSTRACT

An intelligent radome utilizing composite metamaterial structures is presented and investigated in this article, which can realize energy isolation and asymmetric propagation of electromagnetic (EM) wave self-adaptively by controlling states of PIN diodes. The whole structure mainly consists of a broadband polarization-sensitive polarization converter (PC) and an active frequency selective rasorber (AFSR) switching between a transmission mode and absorption mode which is used as an energy-selective surface (ESS). Among them, the function of the PC is to make the EM waves transmit asymmetrically, and the purpose of AFSR is to make the high-power waves be reflected or absorbed, which depends on the polarization type of the wave. Thus, the radome can realize both asymmetric propagations of EM wave and electromagnetic shielding. The equivalent circuit models (ECM) and parametric studies are considered to explain the physical operating mechanism of PC and AFSR. The fabricated structure with 7*7 unit cells is experimentally demonstrated and the measured results agree with simulated results well. Considering the distinctive characteristic of self-actuation, the presented concept has the potential application in electromagnetic stealth and HPEMWs shielding to protect communication devices.

研究の動機と目的

• 通信機器が高出力電磁波（HPEMW）攻撃から保護される一方で、通常の信号伝送が維持されるという課題に対処すること。
• 従来のレーダムが非対称な波動伝搬とアクティブなHPEMW遮断を同時に達成できないという制限を克服すること。
• 信号の電力に応じて透明状態と吸収状態を動的に切り替える自己駆動型のインテリジェントレーダムを設計すること。
• 偏光制御とエネルギー選択的応答を1つの多層メタマテリアル構造に統合し、電磁気的機能を強化すること。
• 等価回路モデル（ECM）、フルウェーブシミュレーション（CST）、7×7ユニットセルプロトタイプにおける実験的測定を通じて設計を検証すること。

提案手法

• レーダムは、広帯域偏光コンバータ（PC）と2つの空気層を含む3層の機能層から構成され、入射方向に応じてxおよびy偏光波の非対称透過を実現する。
• 埋め込まれたPINダイオードを有するアクティブ周波数選択レーザーバー（AFSR）はエネルギー選択的表面（ESS）として機能し、信号の電力に応じて、ダイオードがOFFの場合は透過モード、ONの場合は吸収モードに切り替わる。
• PCは直交する金属ストリップと45°回転した楕円形構造を用い、ファブリ・ペロー共振器と共鳴を形成することで広帯域偏光変換を実現する。
• AFSRはスロットアレイと集中定数素子（抵抗、インダクタンス、キャパシタンス）を用い、等価RLC回路モデル（ECM）を構築し、ダイオードが順方向バイアスを受けると1.8–4.4 GHz帯で可変な吸収が可能になる。
• 外部結合を必要とせずにHPEMW励起を模擬し、ダイオードをトリガーするために並列バイアス構成が採用された。
• フルウェーブシミュレーション（CST）とアノイック・チェンバでの実験的測定により設計が検証され、シミュレーションと測定のSパラメータが比較された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多層メタマテリアルレーダムは、非対称な電磁波伝搬とアクティブな高出力電磁波（HPEMW）遮断を同時に達成できるか？
• RQ2 1つの統合構造内で偏光変換と信号電力に依存する透過／吸収切り替えをどのように実現できるか？
• RQ3 提案されたPCとAFSRにおける広帯域非対称伝搬および可変吸収の物理的動作メカニズムは何か？
• RQ4 等価回路モデル（ECM）は、ダイオードの状態が異なる条件下でPCおよびAFSRの挙動をどれほど正確に予測できるか？
• RQ5 製造公差および部品の不正確さは、シミュレーションと比較して測定性能にどのような影響を及えるか？

主な発見

• PINダイオードがOFFの状態では、100 MHz帯域（3.48–3.58 GHz）で挿入損失が1 dB未満の非対称透過が達成された。
• PINダイオードがONの状態では、2.3 GHzから4.4 GHzまでの入射エネルギーの90%以上が吸収され、HPEMWの効果的遮断が実現された。
• ダイオードがOFFの状態で中心周波数（3.54 GHz）における測定挿入損失は2.6 dBであり、シミュレーションと比較して0.3 GHzの周波数シフトが観察された。
• AFSRは、ダイオードがカットオフ状態（OFF状態）の帯域で最小0.6 dBの挿入損失を達成し、効果的な信号透過が確認された。
• 測定値とシミュレーションのSパラメータは良好に一致しており、設計およびECMベースの解析の妥当性が裏付けられた。
• プロトタイプは自己駆動機能を示した：低出力信号は非対称に透過され、高出力波は吸収され、1つのデバイスで二重機能を実現した。