[論文レビュー] Metagratings for Perfect Mode Conversion in Rectangular Waveguides: Theory and Experiment

Vinay Kumar Killamsetty, A. J. Epstein|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2021

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 78被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、画像理論とメタグレーティング diffraction 工学を活用して、長方形波導（RWG）内での完全な TE10 から TE20 モード変換を実現する、半アナリティカルな設計フレームワークを提示する。この手法は、メタアトムの幾何形状および配置を反射係数に関連付けることで、フルウェーブ最適化を経ずに損失のない、全出力パワーの変換を達成する。実験的に、PCBで作製されたプロトタイプにより検証されている。

ABSTRACT

We present a complete design scheme, from theoretical formulation to experimental validation, exploiting the versatility of metagratings (MGs) for designing a rectangular waveguide (RWG) $\mbox{TE}_{10}$ - $\mbox{TE}_{20}$ mode converter (MC). MG devices, formed by sparse periodically positioned polarizable particles (meta-atoms), were mostly used to date for beam manipulation applications. In this paper, we show that the appealing diffraction engineering features of the MGs in such typical free-space periodic scenarios can be utilized to efficiently mould fields inside waveguides (WGs). In particular, we derive an analytical model allowing harnessing of the MG concept for realization of perfect mode conversion in RWGs. Conveniently, the formalism considers a printed-circuit-board (PCB) MG terminating the RWG, operating as a reflect-mode MC. Following the typical MG synthesis approach, the model directly ties the meta-atom position and geometry with the modal reflection coefficients, enabling resolution of the detailed fabrication-ready design by enforcement of the functionality constraints: elimination of the fundamental $\mbox{TE}_{10}$ reflection and power conservation (passive lossless MG). This reliable semianaltyical scheme, verified via full-wave simulations and laboratory measurements, establishes a simple and efficient alternative to common RWG MCs, typically requiring challenging deformation of the WG designed through time-consuming full-wave optimization. In addition, it highlights the immense potential MGs encompass for a wide variety of applications beyond beam manipulation.

研究の動機と目的

• 長方形波導内における TE10 から TE20 モードコンバータの、完全でプロトタイピングに適した設計スキームの開発。
• 時間的に長いフルウェーブ最適化に依存する従来のモードコンバータの限界を克服すること。
• 自由空間ビーム制御に既に用いられていた半アナリティカルなメタグレーティング合成手法を、波導内のガイド波応用に拡張すること。
• 標準的なPCBプロセスを用いた、被動的で損失のない、コンactなモードコンバータの実現。
• 理論モデルの検証として、フルウェーブシミュレーションおよび物理的プロトタイプの実験的測定の両方を実施すること。

提案手法

• 画像理論を活用して、自由空間用メタグレーティングモデルを MG ロードされた長方形波導に適応させ、無限大のロード付きワイヤ配列への問題の変換を行う。
• Floquet-Bloch理論を用いて、離散的な効果モードへの散乱をモデル化し、モード反射係数の制御を可能にする。
• TE10 モードの反射をゼロに保ち、全パワーを TE20 モードに移行させるための解析的制約を導出する。これにより、被動的かつ損失のない動作を保証する。
• 閉形式解を用いて、メタアトムの位置、基板厚さ、コンデンサ幅を、所望の散乱応答に直接マッピングする。
• 理想化された仮定からのずれを補正するため、フルウェーブシミュレーションを用いて補正係数 Kcorr をキャリブレーションする。
• 最終設計を標準的なプリント回路基板（PCB）技術を用いて作製し、直接的な実験的検証を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メタグレーティングは、自由空間ビーム制御から、長方形波導内でのガイド波モード変換へと効果的に拡張可能か？
• RQ2 半アナリティカルな設計アプローチにより、波導モードコンバータ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排除できるか？
• RQ3 MG 合成形式主義をどのように変更すれば、完全なモード変換（TE10 から TE20）を実現し、反射ゼロおよび全パワー保存を達成できるか？
• RQ4 画像理論アナロジーは、波導終端型メタグレーティングの電磁気的挙動をどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ5 完全にアナリティカルな設計が、シミュレーションおよび実験で予測通りに動作する、プロトタイピングに適したレイアウトを生成できるか？

主な発見

• 提案された半アナリティカル設計スキームは、基本モードの反射ゼロおよび全パワー保存を達成し、完全な TE10 から TE20 モード変換を実現した。
• 作製されたプロトタイプは、フルウェーブシミュレーションおよび測定結果と良好に一致し、解析的モデルの正確性を確認した。
• シミュレーションを用いてキャリブレーションされた補正係数 Kcorr により、所望のモード応答に最適なコンデンサ幅の正確な予測が可能になった。
• この手法により、複雑または非標準的な幾何形状を回避し、標準的なPCBプロセスを用いた、コンactで被動的かつ損失のないモードコンバータが得られた。
• 実験結果により理論的設計の妥当性が検証され、TE10 モードの反射係数が -30 dB 未満であり、TE20 モード励起に一致する直接性パターンが得られた。
• 従来の波導接合部と比較して、設計の複雑さと製造の困難さが低減され、スケーラブルで頑健な代替手法を提供した。