[論文レビュー] Reconfigurable Waveguides Using Glide-Symmetric Bed of Nails: Design of an All-Metal Switch at Millimetre-Wave Band

Mohammad Bagheriasl, Julien Sarrazin+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、グライド対称性を有するベッド・オブ・ネイルメタサーフェスを用いた再構成可能で全金属のミリ波波導スイッチを提案する。このスイッチは、変位制御により機械的再構成が可能で、オン/オフ状態を切り替える。装置は57.4–62.8 GHz帯域で0.7 dB未満の挿入損失と65 dBを超える隔離度を達成しており、空気を介した伝送と非接触金属的EBG構造を活用して低損失と高出力耐性を実現している。

ABSTRACT

A reconfigurable millimeter-wave artificial waveguide using glide-symmetric pin-like contact-less metasurfaces is proposed in order to enable low loss and high-power-handling capability in switching operations. Thanks to the remarkable behaviour of glide symmetry, the meta-structures are used both as wide-band EBG material to confine the field in the guide and as low-dispersive guiding medium filling the guide itself. The reconfigurability is achieved by adjusting the displacement between the metasurfaces. A higher displacement enables propagation within the waveguide and a lower displacement suppresses it. A two-state reconfigurability is therefore designed, allowing the device to act as an on-off switch in the V-band. In particular, a dispersion analysis highlights the potential of such technology to achieve switching operating over a 55-66 GHz frequency range. A complete design including matching mechanism and WR15 feeding is also described and shown to exhibit a $S_{11}<-10$ dB bandwidth from 57.4 to 62.8 GHz. In the "off" state, the switch isolation is better than 65 dB and in the "on" state, the insertion losses are better than 0.7 dB within the entire operating frequency range. The isolation between two adjacent waveguides is also discussed to assess the integration of such a device within a switching network.

研究の動機と目的

• ミリ波5GおよびメガMIMOシステムにおける低損失、高出力、再構成可能なスイッチのニーズに対応する。
• 半導体や誘電体に基づく従来のスイッチには、高損失と出力耐性の制限があるため、それらの限界を克服する。
• 電気的バイアスを必要とせず、オン/オフ動作を可能にする機械的再構成可能なスイッチを、グライド対称性を有するメタサーフェスを用いて設計する。
• 空気を介して信号を伝送する波導構造により、抵抗損失と誘電体損失を最小限に抑えることで、高い隔離度と低挿入損失を実現する。
• 複数ビームアンテナシステムへの統合を可能にするために、隣接する波導間の強い隔離度を確保する。

提案手法

• 波導の上面および下面にグライド対称性を有するベッド・オブ・ネイルメタサーフェスを配置し、電磁バンドギャップ（EBG）構造を形成する。
• メタサーフェス間の相互的な半周期ずれを用いてグライド対称性を誘導し、広帯域の停止域と低分散の通過帯域を実現する。
• 2つのメタサーフェス間の変位を機械的に調整することで再構成性を達成する：大きな変位では信号伝搬が可能（オン状態）、小さな変位では抑制される（オフ状態）。
• WR15波導入力構造を設計し、57.4–62.8 GHz帯域でS11 < -10 dBを満たすインピーダンス整合を実現する。
• フル波動電磁界シミュレーションを用いて、電場分布、散乱パラメータ、および隣接波導間のクロストークを分析する。
• 隣接波導間の横方向間隔を最適化し、結合（S31, S41）を最小限に抑え、マルチポートスイッチングネットワークにおける隔離度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グライド対称性を有するメタサーフェスは、ミリ波周波数帯域で再構成可能で、低損失かつ高隔離度を実現する波導スイッチを可能にするか？
• RQ2 メタサーフェス間の機械的変位が、波導におけるオン状態とオフ状態の切り替えをどのように制御するか？
• RQ3 このようなスイッチのVバンド（55–66 GHz）における実現可能な帯域幅、挿入損失、隔離度性能はどの程度か？
• RQ4 隣接波導間の横方向間隔が、統合スイッチングネットワークにおけるクロストークと隔離度に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 全金属で空気を充填した波導設計は、高出力動作を維持しながら低損失と再構成性を実現できるか？

主な発見

• スイッチは57.4–62.8 GHz帯域で-10 dB帰還損失（S11 < -10 dB）帯域を有し、5.4 GHzの動作帯域をカバーする。
• 57.4–62.2 GHz帯域で挿入損失が0.7 dB未満で維持され、帯域上端部で最大3.3 dBの損失を示す。
• オフ状態では隔離度が65 dBを超えることが確認され、信号伝搬の強力な抑制が実証された。
• 横方向間隔が4.5×pEBG（13.5 mm）の場合、隣接波導間のクロストークは-40 dB未満であり、帯域全体でS41 < -44 dBを達成した。
• s = 1.5×pEBG（4.5 mm）の場合、大部分の帯域で結合（S31）が-22 dB未満であり、間隔が広がるに従い性能が向上した。
• 空気を充填した全金属設計により、誘電体損失が最小限に抑えられ、高出力耐性が確保され、高出力ミリ波システムに適している。