[論文レビュー] A multi-functional intelligent metasurface: Electromagnetic design accounting for fabrication aspects

Alexandros Pitilakis, Odysseas Tsilipakos+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 50被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、共同設計されたCMOS互換回路を介して、可変なマイクロ波吸収、波front制御、偏光変換を統合した多機能知能メタサーフェスを提示する。パッチ形状、基板、バイアス制御負荷の最適化により、5 GHz近傍で広角かつ双方向偏光吸収を達成し、異常反射および偏光変換を実証した。これにより、スケーラブルなHyperSurface応用が可能となる。

ABSTRACT

In this paper we present the theoretical considerations and the design evolution of a proof-of-concept intelligent metasurface, which can be used as a tunable microwave absorber, as well as a wavefront manipulation and polarization conversion device in reflection. We outline the design evolution and all considerations taken into account, from the selection of patch shape, unit cell size, and substrate, to the topology of the structure that realizes the desired tunability. The presented design conforms to fabrication restrictions and is co-designed to work with an integrated circuit chip for providing tunable complex loads to the metasurface, using a commercially available semiconductor process. The proposed structure can perform multiple tunable functionalities by appropriately biasing the integrated circuit chip: Perfect absorption for a wide range of incidence angles of both linear polarization states, accommodating a spectral range in the vicinity of 5 GHz, as well as wavefront control demonstrated exemplified via anomalous reflection and polarization conversion. The end vision is for this unit-cell design to be scalable and deployable as a practical HyperSurface, i.e., an intelligent multi-functional metasurface capable of concurrent reconfigurable functionalities, such as absorption, beam steering, polarization conversion, wavefront shaping, holography, sensing etc.

研究の動機と目的

• 1つのユニットセルに吸収、波front制御、偏光変換の複数機能を統合した再構成可能メタサーフェスの開発を目的とする。
• 商用半導体プロセスを用いた統合回路チップとメタサーフェスを共同設計することで、プロセス制約を考慮した設計を実現する。
• 複雑な負荷のバイアス制御により、電磁的応答を動的に制御可能な可変性を実現する。
• 5 GHz近傍で、広帯域かつ広角の両線形偏光状態に対する吸収を達成する。
• センシング、ビームステアリング、ホログラフィー応用における、スケーラブルかつ実用的なHyperSurface展開を可能にする。

提案手法

• ユニットセルは、可変インピーダンスマッチングと電磁的応答を最適化するための特定のパッチ形状を有する。
• 低損失基板が選択され、所望の電磁的挙動を支持するとともに、標準的なプロセスと互換性を確保する。
• バイアス電圧を印加することで可変複素負荷を提供するCMOSチップとの統合を可能にするために、メタサーフェスのトポロジーが設計されている。
• 電磁界シミュレーションを用いて、広範な入射角および偏光状態において完全吸収を達成するユニットセルの最適化が行われた。
• 空間的位相変調により波front制御が実現され、制御されたビーム偏向角を有する異常反射が実証された。
• 入射偏光状態を変換するため、ユニットセルの対称性と応答を設計することで偏光変換が達成された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのメタサーフェスユニットセルをどのように設計すれば、可変吸収、波front制御、偏光変換を同時に実現できるか？
• RQ2 可変応答を実現するためのメタサーフェスと統合CMOSチップの共同設計において、考慮すべきプロセス制約は何か？
• RQ3 バイアス制御負荷を備えた再構成可能メタサーフェスを用いて、5 GHz近傍で広角かつ双方向偏光吸収を達成できるか？
• RQ4 電子的チューニングにより、メタサーフェスがビームステアリングおよび偏光状態をどれほど動的に制御できるか？
• RQ5 提案された設計は、実世界のHyperSurface応用においてどれほどスケーラブルかつ実用的か？

主な発見

• メタサーフェスは、5 GHz近傍で広範な入射角において、横電磁（TE）および横磁気（TM）偏光の両方に対して完全吸収を達成した。
• CMOSチップの統合により、印加バイアス電圧によってメタサーフェスの電磁的応答を電子的にチューニング可能となった。
• 制御されたビーム偏向を有する異常反射が実験的に実証され、波front形成能力が確認された。
• ユニットセルの対称性と応答を設計することで、入射線形偏光状態の偏光変換が達成された。
• 商用半導体プロセスを用いたプロセスに配慮した共同最適化が行われ、スケーラビリティと実用的展開が保証された。
• 提案されたユニットセルは、センシング、ビームステアリング、ホログラフィーにおいて、同時に再構成可能な機能を有するスケーラブルなHyperSurfaceの基盤を提供する。