[论文解读] Eliminating Reflections in Waveguide Bends Using a Metagrating-Inspired Semianalytical Methodology

Liran Biniashvili, A. J. Epstein|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 57被引用 12

一句话总结

本文提出一种半解析方法，通过受超表面光栅设计原理启发的单个无源散射体，消除突变H面波导弯折中的反射损耗。通过模态分析与边界轮廓模匹配方法建模散射体与导波模态的相互作用，该方法可确定最优散射体位置与几何形状，实现近完美透射（仿真中超过99.9%），适用于多种弯折角度与波导宽度，无需对称性或几何修改。

ABSTRACT

We present a semianalytical method to obtain perfect transmission across abrupt H-plane bends in single-mode rectangular waveguides using a single passive polarizable element (scatterer). The underlying analysis and synthesis schemes are inspired by the rapidly-growing research on metagratings, typically used to manipulate wave trajectories in free-space. These sparse configurations of subwavelength polarizable particles (meta-atoms) are designed by careful tailoring of inter-element near-field and far-field interactions, relying on analytical models to resolve the required meta-atom distribution and geometry to facilitate a desired interference pattern when excited by the incident wave. Utilizing these metagrating design concepts, we develop a modal formalism for obtaining a collection of locations inside the bend junction, in which a passive scatterer may be placed to zero out the return loss. Subsequently, we propose two different shapes for the scatterer and discuss, for each of them, the ways in which their geometrical characteristics may be retrieved. This versatile and efficient methodology, verified via full-wave simulations, can be utilized to eliminate reflection loss in diverse bend configurations, often found in complex wave-guiding systems used for antenna feeding and power transmission. Moreover, these results demonstrate the usefulness and potential of metagrating design concepts for various applications, beyond free-space beam manipulation.

研究动机与目标

• 为解决突变H面波导弯折中长期存在的反射损耗问题，该问题会降低射频与毫米波系统性能。
• 开发一种灵活的非几何解决方案，消除对阶梯形、斜切形或弯曲形等复杂弯折结构的需求。
• 将通常用于自由空间波束调控的超表面光栅设计概念拓展至导波系统，实现基于散射体的弯折补偿的高效、解析化设计。
• 在广泛的角度与非对称配置下，实现高性能、低损耗的波导弯折，且无需对每种情况都进行全波优化。

提出的方法

• 该方法采用基于边界轮廓模匹配（BCMM）的半解析模态形式，用于建模带有一个嵌入式散射体的矩形波导中导波模态的散射行为。
• 该方法将Widarta-Kuwano形式化方法扩展，严格包含散射体对散射系数的影响，其取决于散射体的位置及其感应电流。
• 该设计利用散射体与导波模态之间近场与远场相互作用的解析模型，受超表面光栅原理启发，通过精确的布置与几何形状控制相位干涉图案。
• 提出两种散射体形状——圆柱形柱体与矩形杆，其几何参数通过简化解析模型获得，并经全波仿真验证。
• 该方法对散射参数施加约束，并利用自由度（位置与几何形状）实现零回波损耗，从而实现无需优化的可靠设计流程。
• 半解析模型利用公式(23)与(24)估算最优散射体半径，其有效性在82种配置中得到验证，涵盖45°至120°的弯折角度与0.55λ至0.95λ的波导宽度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否有效将受超表面光栅启发的设计原理扩展至导波系统，以控制波导弯折中的模态散射？
• RQ2 在突变H面波导弯折中，单个无源散射体的最优位置与几何形状为何，可实现零回波损耗？
• RQ3 简化解析模型在预测完美透射所需最优散射体半径方面的准确性如何？其在何种弯折配置范围内有效？
• RQ4 该方法能否在无需几何修改的情况下，实现对非对称与非直角弯折的近完美透射？
• RQ5 该半解析模型在多大程度上减少了波导弯折设计中对耗时全波优化的依赖？

主要发现

• 在全波仿真中，该方法在95%的测试配置中实现透射率超过99.9%，在82组中的74组中TH > 99.9%。
• 对于弯折角度≥75°的情况，半解析模型对最优圆柱形柱体半径的估算具有高精度，其TM值与全波最优结果相差仅0.01%以内。
• 该方法通过为单一配置提供多个有效散射体位置与半径，实现设计灵活性，如表I所示的多种解。
• 半解析模型在r0 ∈ [a/12, 11a/12]范围内有效，前提是满足r0 sin(Φ/2) > rC且r0 < h1，以确保物理可行性。
• 该方法成功消除了在45°至120°弯折角度与0.55λ至0.95λ波导宽度范围内的反射损耗，包括非对称情况。
• 该方法减少了对全波优化的依赖，半解析估算可作为参数扫描的极佳起点，尤其适用于小弯折角度（此时TM较低但仍可用）。