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

Mohammad Bagheriasl, Julien Sarrazin+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种基于滑移对称床型钉阵列超表面的可重构全金属毫米波波导开关，通过位移控制实现开/关状态的机械重构。该器件在57.4–62.8 GHz带宽内实现插入损耗小于0.7 dB，隔离度大于65 dB，利用空气填充传输和无接触金属EBG结构，实现低损耗与高功率处理能力。

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 $S_{11}<-10$ 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.

研究动机与目标

• 解决毫米波5G和大规模MIMO系统中对低损耗、高功率和可重构开关的需求。
• 克服基于半导体或电介质的传统开关因高损耗和功率处理限制而带来的局限性。
• 设计一种基于滑移对称超表面的机械可重构开关，实现无需电偏置的开/关操作。
• 在通过空气引导信号的波导结构中实现高隔离度和低插入损耗，从而最小化欧姆损耗和介电损耗。
• 通过确保相邻波导之间具有强隔离度，促进其在多波束天线系统中的集成。

提出的方法

• 在波导的顶板和底板上均采用滑移对称的床型钉阵列超表面，以形成电磁带隙（EBG）结构。
• 通过在两个超表面之间引入半个周期的相对位移，实现滑移对称性，从而产生宽禁带和低色散通带。
• 通过机械调节两个超表面之间的位移实现可重构性：位移较大时允许信号传播（导通状态），位移较小时抑制传播（截止状态）。
• 设计WR15波导激励结构，实现阻抗匹配，确保在57.4–62.8 GHz频段内S11 < -10 dB。
• 利用全波电磁仿真分析场分布、散射参数以及相邻波导之间的串扰。
• 优化相邻波导之间的横向间距，以最小化耦合（S31, S41）并提升多端口开关网络中的隔离度。

实验结果

研究问题

• RQ1 滑移对称超表面是否能够在毫米波频率下实现可重构、低损耗和高隔离度的波导开关？
• RQ2 超表面之间的机械位移如何控制波导中导通与截止状态之间的转换？
• RQ3 此类开关在V波段（55–66 GHz）内可实现的带宽、插入损耗和隔离度性能如何？
• RQ4 相邻波导之间的横向间距在多路集成开关网络中对串扰和隔离度的影响程度如何？
• RQ5 全金属、空气填充的波导设计是否能够在保持低损耗和可重构性的同时支持高功率运行？

主要发现

• 该开关在-10 dB回波损耗（S11 < -10 dB）频带范围为57.4–62.8 GHz，覆盖5.4 GHz的工作频段。
• 在57.4–62.2 GHz范围内，插入损耗保持在0.7 dB以下，带宽上限处最大插入损耗为3.3 dB。
• 在关断状态下，隔离度超过65 dB，表现出对信号传播的强抑制能力。
• 当横向间距为4.5×pEBG（13.5 mm）时，相邻波导之间的串扰低于-40 dB，且在整个频段内S41 < -44 dB。
• 当间距为1.5×pEBG（4.5 mm）时，耦合（S31）在大部分频段内保持低于-22 dB，且随着间距增加而进一步改善。
• 空气填充的全金属设计确保了极低的介电损耗和优异的高功率处理能力，适用于高功率毫米波系统。