[논문 리뷰] Reconfigurable Waveguides Using Glide-Symmetric Bed of Nails: Design of an All-Metal Switch at Millimetre-Wave Band

Mohammad Bagheriasl, Julien Sarrazin외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 15.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 기계적 변위 제어를 통해 on/off 상태로 재구성 가능한, 글라이드 대칭형 베드오브나일 메타표면을 사용한 재구성 가능한 전체 금속 밀리미터파 파이프 스위치를 제안한다. 장치는 공기로 채워진 전파 전파 방식과 접촉 없는 금속성 EBG 구조를 활용하여 <0.7 dB의 삽입 손실과 57.4–62.8 GHz 대역에서 >65 dB의 고립도를 달성한다.

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 $S_{11}&lt;-10$ 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.

연구 동기 및 목표

• 밀리미터파 5G 및 대규모 MIMO 시스템에서 저손실, 고출력, 재구성 가능한 스위치의 필요성을 해결한다.
• 반도체나 유전체 기반의 기존 스위치가 겪는 높은 손실과 출력 처리 능력 제약을 극복한다.
• 전기적 편향 없이도 on/off 동작을 가능하게 하는 기계적 재구성 가능한 스위치를 글라이드 대칭형 메타표면을 사용해 설계한다.
• 저손실과 고고립도를 달성하기 위해 공기로 채워진 파이프 구조를 활용하여 오믹 및 유전 손실을 최소화한다.
• 다중 빔 안테나 시스템에의 통합을 가능하게 하기 위해 인접한 파이프 간 강력한 고립도를 확보한다.

제안 방법

• 파이프의 상하판에 글라이드 대칭형 베드오브나일 메타표면을 적용하여 전자기 밴드 갭(Electromagnetic Bandgap, EBG) 구조를 형성한다.
• 메타표면 간 상호 반기류 이동을 통해 글라이드 대칭성을 유도하여 넓은 금속대역과 저디스퍼션 통과대역을 확보한다.
• 두 메타표면 간의 기계적 변위 조절을 통해 재구성 가능성을 확보한다: 큰 변위는 전파를 허용(On 상태), 작은 변위는 억제(Off 상태).
• WR15 파이프 피딩 구조를 설계하여 57.4–62.8 GHz 범위에서 S11 < -10 dB를 확보하는 임피던스 매칭을 실현한다.
• 완전파 전자기 시뮬레이션을 통해 전자기장 분포, 산란 매개수 및 인접 파이프 간 커플링을 분석한다.
• 다중 포트 스위칭 네트워크에서 커플링(S31, S41)을 최소화하고 고립도를 향상시키기 위해 인접 파이프 간 횡방향 간격을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 글라이드 대칭형 메타표면은 밀리미터파 주파수에서 재구성 가능하고, 저손실, 고고립도 파이프 스위치를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 메타표면 간 기계적 변위가 파이프 내에서 On 및 Off 상태 간 전환을 어떻게 제어하는가?
• RQ3 이러한 스위치의 V밴드(55–66 GHz)에서 실현 가능한 대역폭, 삽입 손실 및 고립도 성능은 어떠한가?
• RQ4 인접한 파이프 간 횡방향 간격이 통합된 스위칭 네트워크에서 커플링과 고립도에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 전면 금속, 공기로 채워진 파이프 설계는 저손실과 재구성 가능성을 유지하면서도 고출력 작동을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 스위치는 -10 dB 반환 손실(S11 < -10 dB) 대역폭이 57.4–62.8 GHz로 확보되어 5.4 GHz의 운영 대역을 커버한다.
• 삽입 손실은 57.4–62.2 GHz 범위에서 0.7 dB 이하로 유지되며, 대역의 상한부에서 최대 3.3 dB를 기록한다.
• Off 상태에서 고립도는 65 dB를 초과하여 신호 전파 억제가 강력하게 이루어짐을 입증한다.
• 횡방향 간격이 4.5×pEBG(13.5 mm)일 경우 인접 파이프 간 커플링은 -40 dB 이하이며, 전체 대역에서 S41 < -44 dB를 확보한다.
• s = 1.5×pEBG(4.5 mm)일 경우, 대부분의 대역에서 커플링(S31)은 -22 dB 이하로 유지되며 간격 증가에 따라 성능 향상이 이루어진다.
• 공기로 채워진 전체 금속 설계는 최소한의 유전 손실과 높은 출력 처리 능력을 보장하여 고출력 밀리미터파 시스템에 적합하다.