Оптимізація відбивної інтелектуальної поверхні Х-діапазону з варакторним керуванням
DOI:
https://doi.org/10.20535/S0021347022110012Ключові слова:
інтелектуальна поверхня, Х-діапазон, алгоритм оптимізації, метаповерхня, елементарна комірка, діапазон зміни фази, втрати на відбиття, смуга пропускання, цілі оптимізації, X-діапазон, 6GАнотація
Інтелектуальна поверхня, що реконфігурується RIS (Reconfigurable Intelligent Surface) — одне з можливих рішень для подолання викликів, які приносять мережі зв'язку 6G. Дизайн елементарної комірки для RIS багато в чому схожий на дизайн штучних магнітних провідників — обидва матеріали спрямовані на зміну фази відбитої хвилі. Однак RIS спрямовані на управління кутом відбиття із збереженням вимог до діаграм спрямованості, подібних до фазованих антенних решіток, таких як низькі бічні пелюстки і ширина діаграми спрямованості. У статті розглянуто критерії оптимізації інтелектуальних поверхонь: розміри елементарної комірки, діапазон перестройки фази, смуга частот і втрати. Запропоновано алгоритм оптимізації, який належним чином враховує критерії оптимізації RIS. За допомогою запропонованого алгоритму оптимізації спроектовано нову комірку для роботи інтелектуальної поверхні в Х-діапазоні частот.
Посилання
F. Yang, P. Pitchappa, N. Wang, “Terahertz reconfigurable intelligent surfaces (RISs) for 6G communication links,” Micromachines, vol. 13, no. 2, p. 285, 2022, doi: https://doi.org/10.3390/mi13020285.
S. R. Hasan, S. Sabuj, “A comprehensive review on reconfigurable intelligent surface for 6G communications: Overview, deployment, control mechanism, application, challenges, and opportunities,” Preprint, doi: https://doi.org/10.36227/techrxiv.24624420.
Z. Zhang et al., “Active RIS vs. passive RIS: Which will prevail in 6G?,” IEEE Trans. Commun., vol. 71, no. 3, pp. 1707–1725, 2023, doi: https://doi.org/10.1109/TCOMM.2022.3231893.
G. Lubkowski, F. Hirtenfelder, B. Bandlow, R. Schuhmann, T. Weiland, “Macromodeling of parabolic double negative metamaterial antennas,” Frequenz, vol. 62, no. 3–4, 2008, doi: https://doi.org/10.1515/FREQ.2008.62.3-4.67.
M. Rahm, J.-S. Li, W. J. Padilla, “THz wave modulators: A brief review on different modulation techniques,” J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves, vol. 34, no. 1, pp. 1–27, 2013, doi: https://doi.org/10.1007/s10762-012-9946-2.
J. Carver, V. Reignault, F. Gadot, “Engineering of the metamaterial-based cut-band filter,” Appl. Phys. A, vol. 117, no. 2, pp. 513–516, 2014, doi: https://doi.org/10.1007/s00339-014-8694-7.
M. V. Mrvić, M. M. Potrebić, D. V. Tošić, “Compact H-plane dual-band bandstop waveguide filter,” J. Comput. Electron., vol. 16, no. 3, pp. 939–951, 2017, doi: https://doi.org/10.1007/s10825-017-1025-4.
S. Datta et al., “Negative index metamaterial lens for subwavelength microwave detection,” Sensors, vol. 21, no. 14, p. 4782, 2021, doi: https://doi.org/10.3390/s21144782.
M. Memarian, G. V Eleftheriades, “Light concentration using hetero-junctions of anisotropic low permittivity metamaterials,” Light Sci. Appl., vol. 2, no. 11, pp. e114–e114, 2013, doi: https://doi.org/10.1038/lsa.2013.70.
W. T. Chen, A. Y. Zhu, F. Capasso, “Flat optics with dispersion-engineered metasurfaces,” Nat. Rev. Mater., vol. 5, no. 8, pp. 604–620, 2020, doi: https://doi.org/10.1038/s41578-020-0203-3.
D. Kundu, A. Mohan, A. Chakrabarty, “Design of a conductive FSS based ultrathin absorber using impedance analysis method of equivalent circuit model,” in 2018 IEEE Indian Conference on Antennas and Propogation (InCAP), 2018, pp. 1–4, doi: https://doi.org/10.1109/INCAP.2018.8770792.
P. Tiwari, S. K. Pathak, V. Siju, “Design, development and characterization of resistive arm based planar and conformal metasurfaces for RCS reduction,” Sci. Reports, vol. 12, no. 1, p. 14992, 2022, doi: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19075-x.
M. Janneh, A. De Marcellis, E. Palange, A. T. Tenggara, D. Byun, “Metasurface-based THz dual-band absorber sensor for the measurement of refractive index variations of chemical and biological substances,” in Proceedings of Eurosensors 2017, Paris, France, 3–6 September 2017, 2017, p. 558, doi: https://doi.org/10.3390/proceedings1040558.
H. Jeong, D. H. Le, D. Lim, R. Phon, S. Lim, “Reconfigurable metasurfaces for frequency selective absorption,” Adv. Opt. Mater., vol. 8, no. 13, 2020, doi: https://doi.org/10.1002/adom.201902182.
Z. Wei, H. Li, W. Xu, Y. Cao, “Dynamic control of ultrathin electromagnetic absorber using active high impedance metasurfaces,” Front. Phys., vol. 8, 2021, doi: https://doi.org/10.3389/fphy.2020.632902.
S. Oh, L. Shafai, “Artificial magnetic conductor using split ring resonators and its applications to antennas,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 48, no. 2, pp. 329–334, 2006, doi: https://doi.org/10.1002/mop.21341.
R. Dewan et al., “Artificial magnetic conductor for various antenna applications: An overview,” Int. J. RF Microw. Comput. Eng., vol. 27, no. 6, p. e21105, 2017, doi: https://doi.org/10.1002/mmce.21105.
X. Li, J. Yang, Y. Feng, M. Yang, M. Huang, “Compact and broadband antenna based on a step-shaped metasurface,” Opt. Express, vol. 25, no. 16, p. 19023, 2017, doi: https://doi.org/10.1364/OE.25.019023.
P. Saha, D. Mitra, S. K. Parui, “Control of gain and SAR for wearable antenna using AMC structure,” Radioengineering, vol. 30, no. 1, pp. 81–88, 2021, doi: https://doi.org/10.13164/re.2021.0081.
M. A. Abdelghany, M. Fathy Abo Sree, A. Desai, A. A. Ibrahim, “Gain improvement of a dual-band CPW monopole antenna for sub-6 GHz 5G applications using AMC structures,” Electronics, vol. 11, no. 14, p. 2211, 2022, doi: https://doi.org/10.3390/electronics11142211.
F. Mouhouche, A. Azrar, M. Dehmas, K. Djafer, “Gain enhancement of monopole antenna using AMC surface,” Adv. Electromagn., vol. 7, no. 3, pp. 69–74, 2018, doi: https://doi.org/10.7716/aem.v7i3.747.
M. Alibakhshikenari, B. S. Virdee, C. H. See, R. A. Abd-Alhameed, F. Falcone, E. Limiti, “High-gain metasurface in polyimide on-chip antenna based on CRLH-TL for sub-terahertz integrated circuits,” Sci. Reports, vol. 10, no. 1, p. 4298, 2020, doi: https://doi.org/10.1038/s41598-020-61099-8.
Ł. Jopek, S. Hausman, P. Di Barba, “Optimization of an artificial magnetic conductor geometry using a paretian approach,” in 2019 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2019, uri: https://ieeexplore.ieee.org/document/8740080.
S. Zhu, K. L. Ford, A. Tennant, R. J. Langley, “Small antenna over AMC surface with/out vias,” in 2012 6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), 2012, pp. 2712–2715, doi: https://doi.org/10.1109/EuCAP.2012.6206113.
Q. Chen, H. Zhang, L.-C. Yang, X.-F. Zhang, Y.-C. Zeng, “Wideband and low axial ratio circularly polarized antenna using AMC-based structure polarization rotation reflective surface,” Int. J. Microw. Wirel. Technol., vol. 10, no. 9, pp. 1058–1064, 2018, doi: https://doi.org/10.1017/S1759078718000958.
G. C. Trichopoulos et al., “Design and evaluation of reconfigurable intelligent surfaces in real-world environment,” IEEE Open J. Commun. Soc., vol. 3, pp. 462–474, 2022, doi: https://doi.org/10.1109/OJCOMS.2022.3158310.
D. Wang et al., “Design of real-time tunable-focus active metasurfaces,” in 2020 IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO), 2020, pp. 1–3, doi: https://doi.org/10.1109/NEMO49486.2020.9343489.
X. Wan, M. Q. Qi, T. Y. Chen, T. J. Cui, “Field-programmable beam reconfiguring based on digitally-controlled coding metasurface,” Sci. Reports, vol. 6, no. 1, p. 20663, 2016, doi: https://doi.org/10.1038/srep20663.
L. Dai et al., “Reconfigurable intelligent surface-based wireless communications: Antenna design, prototyping, and experimental results,” IEEE Access, vol. 8, pp. 45913–45923, 2020, doi: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2977772.
B. Ratni, A. de Lustrac, G.-P. Piau, S. N. Burokur, “Active metasurface for reconfigurable reflectors,” Appl. Phys. A, vol. 124, no. 2, p. 104, 2018, doi: https://doi.org/10.1007/s00339-017-1502-4.
B. Ratni, A. de Lustrac, G.-P. Piau, S. N. Burokur, “Electronic control of linear-to-circular polarization conversion using a reconfigurable metasurface,” Appl. Phys. Lett., vol. 111, no. 21, 2017, doi: https://doi.org/10.1063/1.4998556.
B. Ratni, A. de Lustrac, G.-P. Piau, S. N. Burokur, “Reconfigurable meta-mirror for wavefronts control: applications to microwave antennas,” Opt. Express, vol. 26, no. 3, p. 2613, 2018, doi: https://doi.org/10.1364/OE.26.002613.
A. Araghi et al., “Reconfigurable intelligent surface (RIS) in the sub-6 GHz band: Design, implementation, and real-world demonstration,” IEEE Access, vol. 10, pp. 2646–2655, 2022, doi: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3140278.
X. Pei et al., “RIS-aided wireless communications: Prototyping, adaptive beamforming, and indoor/outdoor field trials,” IEEE Trans. Commun., vol. 69, no. 12, pp. 8627–8640, 2021, doi: https://doi.org/10.1109/TCOMM.2021.3116151.
K. Mensah-Bonsu, B. Yang, A. Eroglu, H. Xu, L. Qian, “Equivalent circuit model for varactor-loaded reconfigurable intelligent surfaces,” in 2022 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (AP-S/URSI), 2022, pp. 1190–1191, doi: https://doi.org/10.1109/AP-S/USNC-URSI47032.2022.9887171.
F. Venneri, S. Costanzo, G. Di Massa, “Design and validation of a reconfigurable single varactor-tuned reflectarray,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 61, no. 2, pp. 635–645, 2013, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2012.2226229.
F. Venneri, L. Boccia, G. Angiulli, G. Amendola, G. Di Massa, “Analysis and design of passive and active microstrip reflectarrays,” Int. J. RF Microw. Comput. Eng., vol. 13, no. 5, pp. 370–377, 2003, doi: https://doi.org/10.1002/mmce.10101.
R. Feng, B. Ratni, J. Yi, H. Zhang, A. de Lustrac, S. N. Burokur, “Versatile metasurface platform for electromagnetic wave tailoring,” Photonics Res., vol. 9, no. 9, p. 1650, 2021, doi: https://doi.org/10.1364/PRJ.428853.
L. G. da Silva, Z. Chu, P. Xiao, A. Cerqueira S, “A varactor-based 1024-element RIS design for mm-waves,” Front. Commun. Networks, vol. 4, 2023, doi: https://doi.org/10.3389/frcmn.2023.1086011.
H. Rajabalipanah, A. Abdolali, S. Iqbal, L. Zhang, T. J. Cui, “Analog signal processing through space-time digital metasurfaces,” Nanophotonics, vol. 10, no. 6, pp. 1753–1764, 2021, doi: https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0006.
S. Tian, H. Liu, L. Li, “Design of 1-bit digital reconfigurable reflective metasurface for beam-scanning,” Appl. Sci., vol. 7, no. 9, p. 882, 2017, doi: https://doi.org/10.3390/app7090882.
D. Rotshild, A. Abramovich, “Ultra-wideband reconfigurable X-band and Ku-band metasurface beam-steerable reflector for satellite communications,” Electronics, vol. 10, no. 17, p. 2165, 2021, doi: https://doi.org/10.3390/electronics10172165.
J. Nie, Y.-Q. Tan, C.-L. Ji, R.-P. Liu, “Analysis of Ku-band steerable metamaterials reflectarray with tunable varactor diodes,” in 2016 Progress in Electromagnetic Research Symposium (PIERS), 2016, pp. 709–713, doi: https://doi.org/10.1109/PIERS.2016.7734429.
B. Liu, Y. He, S. Wong, Y. Li, “Multifunctional vortex beam generation by a dynamic reflective metasurface,” Adv. Opt. Mater., vol. 9, no. 4, 2021, doi: https://doi.org/10.1002/adom.202001689.
B. O. Zhu, J. Zhao, Y. Feng, “Active impedance metasurface with full 360° reflection phase tuning,” Sci. Reports, vol. 3, no. 1, p. 3059, 2013, doi: https://doi.org/10.1038/srep03059.
Y.-L. Sun, X.-G. Zhang, Q. Yu, W.-X. Jiang, T.-J. Cui, “Infrared-controlled programmable metasurface,” Sci. Bull., vol. 65, no. 11, pp. 883–888, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.03.016.
X. G. Zhang, D. Pan, W. X. Jiang, “Reconfigurable 2-bit digital coding metasurfaces in a non-contact way,” in 2018 Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference (CSQRWC), 2018, pp. 1–2, doi: https://doi.org/10.1109/CSQRWC.2018.8455578.
J. Zhang, X. Wei, I. D. Rukhlenko, H.-T. Chen, W. Zhu, “Electrically tunable metasurface with independent frequency and amplitude modulations,” ACS Photonics, vol. 7, no. 1, pp. 265–271, 2020, doi: https://doi.org/10.1021/acsphotonics.9b01532.
S. V. Hum, M. Okoniewski, R. J. Davies, “Realizing an electronically tunable reflectarray using varactor diode-tuned elements,” IEEE Microw. Wirel. Components Lett., vol. 15, no. 6, pp. 422–424, 2005, doi: https://doi.org/10.1109/LMWC.2005.850561.
S. V. Hum, M. Okoniewski, R. J. Davies, “Modeling and design of electronically tunable reflectarrays,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 8, pp. 2200–2210, 2007, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2007.902002.
J. Y. Dai et al., “Wireless communications through a simplified architecture based on time‐domain digital coding metasurface,” Adv. Mater. Technol., vol. 4, no. 7, 2019, doi: https://doi.org/10.1002/admt.201900044.
S. Venkatesh, X. Lu, H. Saeidi, K. Sengupta, “A high-speed programmable and scalable terahertz holographic metasurface based on tiled CMOS chips,” Nat. Electron., vol. 3, no. 12, pp. 785–793, 2020, doi: https://doi.org/10.1038/s41928-020-00497-2.
M. Rossanese, P. Mursia, A. Garcia-Saavedra, V. Sciancalepore, A. Asadi, X. Costa-Perez, “Designing, building, and characterizing RF switch-based reconfigurable intelligent surfaces,” in Proceedings of the 28th Annual International Conference on Mobile Computing And Networking, 2022, pp. 841–843, doi: https://doi.org/10.1145/3495243.3558256.
F. Costa, A. Monorchio, S. Talarico, F. M. Valeri, “An active high-impedance surface for low-profile tunable and steerable antennas,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 7, pp. 676–680, 2008, doi: https://doi.org/10.1109/LAWP.2008.2006070.
M. K. Hedayati et al., “Challenges in on-chip antenna design and integration with RF receiver front-end circuitry in nanoscale CMOS for 5G communication systems,” IEEE Access, vol. 7, pp. 43190–43204, 2019, doi: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2905861.
I. Skyworks Solutions, “Varactor diode application note,” 2008. uri: https://www.skyworksinc.com/-/media/SkyWorks/Documents/Products/1-100/200824A.pdf.
C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design. New Jersey: Wiley, 2016, uri: https://www.wiley.com/en-us/Antenna+Theory%3A+Analysis+and+Design%2C+4th+Edition-p-9781118642061.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Вісті вищих учбових закладів. РадіоелектронікаИздатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.
Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).
Варианты доступа к статье:
1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)
В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).
2. Статья с последующим доступом по подписке
В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.
- Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
- Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
- Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
- Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
- Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
- Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
- Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
- Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
- Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
- Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
- Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
- Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
- Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
- Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
- В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
- Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
- Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.