[論文レビュー] Full-Duplex Nonreciprocal-Beam-Steering Metasurfaces Comprising Time-Modulated Twin Meta-Atoms

Sajjad Taravati, George V. Eleftheriades|ePrints Soton (University of Southampton)|Nov 11, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 82被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、時間変調された二重メタ原子を用いた全二重モードで透過型メタサーフェスを提案し、送信波と受信波の周波数を同一に保ちながら非再帰的ビームステアリングを実現する。結合メタ原子における位相勾配変調を活用することで、指向性が高く、チューナブルで非対称な放射ビームを実現し、高い変換効率と低損失（1 dB未満）を達成する。これにより、周波数変換を伴わず、効率的な全二重モード通信が可能になる。

ABSTRACT

We present the concept, theoretical model and experimental implementation of a full-duplex nonreciprocal-beam-steering transmissive phase-gradient metasurface. Such a metasurface is realized by exploiting the unique properties of the frequency-phase transition in coupled time-modulated twin meta-atoms. The metasurface may be placed on top of a source antenna to transform the radiation pattern of the source antenna, and introduce different radiation patterns for the transmit and receive states. In contrast to the recently proposed applications of time modulation, here the incident and transmitted waves share the same frequency. The metasurface is endowed with directive, diverse and asymmetric transmission and reception radiation beams, and tunable beam shapes. Furthermore, these beams can be steered by simply changing the modulation phase. The proposed coupled meta-atoms inherently suppress undesired time harmonics, leading to a high conversion efficiency which is of paramount importance for practical applications such as point to point full-duplex communications.

研究の動機と目的

• 送信と受信に対して独立した非再帰的ビームステアリングを可能にする透過型全二重モードメタサーフェスの開発。
• 従来の時間変調メタサーフェスが抱える周波数上昇変換と効率の悪い高調波抑制の課題を克服すること。
• 結合二重メタ原子構造による内在的高調波抑制により、高い変換効率と低損失を達成すること。
• 位相勾配変調を用いて、送信および受信状態の両方でチューナブルで指向性があり非対称な放射パターンを実現すること。
• 異なるビーム角度での全波シミュレーションおよび実験的検証を通じて、実用的妥当性の検証。

提案手法

• メタサーフェスは、時間変調された二重メタ原子のアレイで構成され、各ユニットは波の受信、非再帰的位相シフト、高調波フィルタリング、波の放射の4機能を担う。
• メタ原子アレイ全体に位相勾配変調を適用し、送信ビームと受信ビームを異なる角度にステアリングすることで非再帰的ビームステアリングを実現する。
• 理論的モデルは、周波数シフトなしの周期的時間変調媒体における周波数-位相遷移に基づくもので、入射波と透過波の周波数が同一を保証する。
• 対称励起と位相キャンセレーションにより、結合メタ原子構造が高次時間高調波を内在的に抑制し、高い変換効率を実現する。
• 全波シミュレーションおよび実験的測定により、対称および非対称構成を含むさまざまな放射角度での非再帰的ビームステアリング機能が検証された。
• 変調位相の調整によりビーム方向を制御可能であり、ハードウェアを変更せずに動的ビーム形状制御が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 入射波の周波数を変換せずに、透過型メタサーフェスが全二重モード非再帰的ビームステアリングを実現できるか？
• RQ2 時間変調された二重メタ原子は、不要な時間高調波を内在的に抑制し、高い変換効率を達成するようにどのように設計できるか？
• RQ3 送信と受信に非対称な放射パターンを有する全二重モードシステムにおいて、達成可能な分離度とビーム指向性はどの程度か？
• RQ4 結合メタ原子における位相勾配変調は、送信および受信状態の両方でチューナブルで指向性があり非対称なビームを生成できるか？
• RQ5 このようなメタサーフェスの実験的性能は、損失およびビームステアリング精度の観点でどの程度か？

主な発見

• 入射波と透過波の周波数が同一である非再帰的ビームステアリングを実現し、周波数変換の必要がなくなる。
• 結合二重メタ原子構造が不要な時間高調波を内在的に抑制し、1 dB未満の損失を達成する。これは実用的全二重モードシステムにとって極めて重要である。
• 実験結果では、非対称ビーム構成において、45°送信角度で15.8 dBの分離度、−27°受信角度で10.4 dBの分離度を達成した。
• 全波シミュレーションにより、対称（36°および52°）および非対称（45°送信、−27°受信）角度での成功したビームステアリングが確認され、送信および受信状態の異なる放射パターンが明確に分離された。
• 変調位相の調整により、ビーム幅および方向の動的制御が可能で、チューナブルなビーム形状制御が実現した。
• 本プラットフォームにより、指向性があり非対称で、送信および受信の両方で独立してステアリング可能なビームを有する点対点全二重モード通信が可能になった。