[논문 리뷰] Addition Theorem Revisiting for Phase/Amplitude-Encoded Metasurfaces: Asymmetric Spatial Power Dividers

Hamid Rajabalipanah, Ali Abdolali외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 13.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 4인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 위상/세기 인코딩 메타표면에 대한 덧셈 정리의 재검토를 통해, 비대칭적 공간적 파wr 분배기(ASPD)를 가능하게 하는 개선된 형식을 제안한다. 이는 비례 및 방향을 독립적으로 제어할 수 있도록 한다. 3비트 Pancharatnam-Berry 메타원자에 의한 위상과 세기의 동시 조절을 통해, 브루트 포스 최적화 없이도 사전에 정해진 다중 빔 간의 임의의 파wr 분포를 달성한다. 시뮬레이션을 통한 검증 결과, 파wr 비율 정확도 오차가 3% 미만임을 확인하였다.

ABSTRACT

Recent years have witnessed an extraordinary spurt in attention toward the wave manipulating strategies revealed by coding metasurfaces as they build up a bridge between the physical and digital worlds. Newly, it has been shown that when two different coding patterns responsible for doing separate missions are added together based on the superposition theorem, the mixed coding pattern will perform both missions at the same time. In this paper, via a semi-analytical procedure, we demonstrate that such a theorem is not necessarily valid for all possible functionalities with considering phase-only coding distributions and ignoring the element pattern function. By revisiting the addition theorem, we introduce the concept of asymmetric spatial power divider (ASPD) with arbitrary power ratio levels in which modulating both amplitude and phase of the meta-atoms is inevitable to fully control the power intensity pattern of the metasurface. Numerical simulations illustrate that the proposed ASPD driven by proper coding sequences can directly generate a desired number of beams with pre-determined orientations and power budgets. The phase/amplitude-encoded Pancharatnam-Berry meta-atoms realize the required coding pattern in each case and good conformity between simulations and theoretical predictions verifies the presented formalism. This work exposes a new opportunity to implement spatial power dividers for various applications such as multiple-target radar systems, beamforming networks, and multiple-input multiple-output (MIMO) communication.

연구 동기 및 목표

• 메타표면 빔에서 비대칭적 파wr 분포를 제어하기 위한 빠르고 분석적인 방법의 부족을 해결하기 위해.
• 이전의 초합 정리가 위상만 인코딩하는 메타표면에서 세기 조절을 忽略하는 한계를 규명하기 위해.
• 임의의 빔 방향과 사전 정의된 파wr 비율을 가진 공간적 파wr 분배기 설계를 위한 반분석적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 메타표면에서 파워 강도 패턴을 완전히 제어하기 위해 위상과 세기를 동시에 조절해야 한다는 것을 입증하기 위해.
• 반복적 최적화가 필요 없는 설계 준비 완료 방법을 제공하여 MIMO 통신 및 다중 표적 레이더와 같은 실용적 응용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 위상만 고려하는 가정을 넘어서, 세기 조절을 통합함으로써 코딩 메타표면의 초합 원리를 재검토한다.
• 위상 및 세기 인코딩 계수에 기반해 초합된 빔의 정확한 파wr 비율을 예측할 수 있는 개선된 덧셈 정리(식 12)를 유도한다.
• 3비트 위상/세기 인코딩된 Pancharatnam-Berry 메타원자를 사용하여 국소 반사 위상과 세기를 독립적으로 제어한다.
• 반분석적 형식을 활용해, 원하는 각도에서 펜치빔을 생성하고 특정 파wr 수준을 갖는 기울기 메타표면을 설계한다.
• CST Microwave Studio에서의 전자기파 전체 시뮬레이션을 통해 설계를 검증하고, 이론적 예측과 시뮬레이션된 산란 패턴을 비교한다.
• 정상 입사 조건 하에서 이중성 산란 패턴 측정을 통해 빔 방향과 파워 비율 정확도를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 코딩 메타표면에 대한 덧셈 정리는 세기 조절을 포함하여 파워 비율 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 위상만 인코딩하는 초합 기반 빔 포지셔닝에서 세기 조절을 忽略할 경우 어떤 결과가 초래되는가?
• RQ3 다양한 빔에 대해 임의의 비대칭 파워 분포를 제공하고, 각각의 방향을 독립적으로 조절할 수 있는 공간적 파워 분배기를 설계할 수 있는가?
• RQ4 브루트 포스 최적화를 피하기 위해 반분석적 프레임워크를 어떻게 수립할 수 있는가?
• RQ5 위상/세기 인코딩된 메타원자는 다중 빔 구성에서 빔 파워 비율을 얼마나 정밀하게 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 개선된 덧셈 정리는 초합된 메타표면에서 빔 파워 비율을 정확히 예측할 수 있게 하였으며, 시뮬레이션 결과 파워 비율 오차가 3% 미만임을 확인하였다.
• 첫 번째 예제에서 제안된 ASPD 설계는 이론적 값 1.00과 매우 유사한 파워 비율 1.03을 달성하였고, 의도한 대로 15° 및 35° 방향의 빔을 생성하였다.
• 두 번째 예제에서 시뮬레이션된 파워 비율 0.705는 이론적 값 0.719와 높은 일치도를 보이며 이론과 시뮬레이션 간의 높은 일치를 입증하였다.
• 이 방법은 반복적 또는 최적화 기반 설계 단계 없이도, 임의의 방향과 비대칭 파워 수준을 가진 두 개의 빔을 성공적으로 생성하였다.
• 3비트 위상/세기 인코딩된 메타원자를 사용함으로써 위상과 세기를 독립적으로 제어할 수 있었으며, 제안된 설계 접근법의 실현 가능성을 검증하였다.
• 전체 프레임워크는 전자기파 전체 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 제안된 방법이 빔 포지셔닝 응용 분야에서 정확하고 효율적임을 확인하였다.