[論文レビュー] Reconfigurable Liquid Crystal Reflectarray Metasurface for THz Communications

Xiaomin Meng, Maziar Nekovee+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、電気的に可変な液晶配向を用いたバイナリ位相制御によりビームスティアリングを実現する、108 GHz帯THz通信向けの20×20素子再構成可能液体結晶反射アレイメタサーフェスを提案する。全波シミュレーションにより、ON/OFF状態間で177°の位相差を達成し、反射効率は88%を示した。遺伝的アルゴリズムで最適化された構成により、平面波および近場励起下での指向性ビーム形成が可能である。

ABSTRACT

We present computational studies on a proposed 20 by 20 elements electronically reconfigurable liquid crystal (LC) based binary phase reflectarray metasurface, operational at 108 GHz. LC was modelled after Mer's GT3-23001, and full wave simulations have shown a phase difference of 177 degrees between ON and OFF states, while reflection amplitudes were both 0.88 for ON and OFF. We present preliminary full wave simulation results on the Genetic Algorithm (GA) optimised far-fields. We also present the basic design procedures and cross-platform implementations on optimisation routines involving Matlab, CST and VBA environments.

研究の動機と目的

• THz無線通信における高い路損失および視線外通信の課題を、指向性で高利得のビームフォーミングによって解決すること。
• THz周波数帯で従来のフェーズドアレイが直面する、過剰な素子数と高い電力・位相制御の複雑さの制限を克服すること。
• 液体結晶を用いた再構成可能反射アレイメタサーフェスを用いた、半受動的でエネルギー効率の高い代替手段を開発すること。
• CST、Matlab、VBAを統合したシミュレーションと最適化ワークフローにより、THzリンクにおける実用的ビームスティアリングを実現すること。
• 108 GHz帯における反射アレイメタサーフェスで、遺伝的アルゴリズムベースのパターン合成を用いたカスタムビームプロファイルの実現可能性を実証すること。

提案手法

• 電気的に可変な位相シフトを実現するため、液体結晶（GT3-23001）層を有するスプリットリングレゾネータ形状の20×20ユニットセル反射アレイメタサーフェスを設計する。
• 液晶材料を異方的誘電率（ε⊥ = 2.47, ε∥ = 3.25）および低損失タンジェント（tanδ⊥ = 0.02）でモデル化し、108 GHz帯での安定した性能を確保する。
• CST Microwave Studioを用いた全波電磁界シミュレーションにより、電圧印加（ON）および無電圧（OFF）状態における反射振幅および位相応答を評価する。
• Matlabで実装した遺伝的アルゴリズム（GA）を用い、所望の遠方場ビームパターン（ビームスティアリングおよびマルチビームプロファイル含む）を達成するためのON/OFF配置行列を最適化する。
• CSTでVBAスクリプトを実装し、全デバイスモデルの初期化を自動化し、異なる配置行列に対するバッチシミュレーションを可能にする。
• 3通りの励起状況をシミュレーションする：正弦入射平面波、54°斜入射平面波、およびL·[-4.5; 0; 13]に位置する近場フィードホーン。実用的なビームフォーミング性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体結晶ベースのバイナリ位相反射アレイは、108 GHz帯で有効なビームスティアリングに十分な位相差（≥180°）を達成できるか？
• RQ2 提案されたLC反射アレイの全波シミュレーションにおいて、ON状態とOFF状態間の反射効率および位相差はどの程度か？
• RQ3 遺伝的アルゴリズムは、20×20素子反射アレイの配置行列を効果的に最適化し、所望の遠方場ビームパターンを達成できるか？
• RQ4 非正弦入射（例：54°平面波）および現実的なフィード源からの近場励起下で、反射アレイはどの程度の性能を示すか？
• RQ5 実用的な再構成可能メタサーフェスシステムへのスケーリングに際して、GAベース最適化の計算的および実装上の課題は何か？

主な発見

• LCベースの反射アレイは、108 GHz帯でON状態とOFF状態間で177°の位相差を達成し、バイナリ位相制御の理想値180°に近い性能を示した。
• ONおよびOFF状態の両方で反射振幅が一貫して0.88（すなわち-1.1 dB）であり、高い安定したパワー効率を示した。
• 正弦入射条件下では、メタサーフェスはミラーのような反射を示し、予測可能な位相応答および低損失を確認した。
• 54°斜入射平面波（入射方向[-1; -1; 1]）条件下で、GA最適化配置によりビームをθ=45°, φ=135°にスティアリングし、メインローブ利得は-5.8 dBm²（等価な260 mm²線形RCS）を達成した。
• 近場フィードホーン（L·[-4.5; 0; 13]）を用いた場合、GA最適化配置によりビームをθ=30°, φ=200°にスティアリングし、現実的なフィード状況での実現可能性を示した。
• 初期のマルチビームプロファイルでは sidelobeレベルが高かったため、GA最適化の改善の余地があり、現在のブルートフォースGAプロセスでは1回の最適化に数時間の計算時間がかかっていた。