Возврат массива фиксированного размера

Возврат ссылки на массив дает sizeof, который вы искали:

template<class T, int M, int N>
struct Array
{
    T data[M][N];

//  constexpr T[N] operator[] (int i) - CANNOT RETURN T[N]!
    constexpr T (&operator[](int i))[N]
    {
        return data[i];
    }
};

int main()
{
    Array<double, 2, 3> a;
    std::cout << sizeof(a) << ", " << sizeof(a[1]);
}

Введение псевдонима типа облегчает чтение.

using row = T[N]; // or typedef T (&row)[N]

constexpr row& operator[](int i)
{
    return data[i];
}

Или вы можете сделать обертку вот так: (в целом в C++ нет необходимости так часто использовать sizeof, особенно для проверки размеров массива)

#include <array>
#include <stdexcept>
#include <iostream>

template<typename T, std::size_t ROWS, std::size_t COLS>
class array2d_t final
{
public:
    array2d_t() = default;
    ~array2d_t() = default;

    array2d_t(const array2d_t&) = default;
    array2d_t& operator=(const array2d_t&) = default;
    array2d_t(array2d_t&&) = default;
    array2d_t& operator=(array2d_t&&) = default;

    explicit array2d_t(const int (&values)[ROWS][COLS]) 
    {
        std::size_t offset{0};
        for(std::size_t row{0ul}; row < ROWS; ++row)
        {
            for(std::size_t col{0ul}; col < COLS; ++col, ++offset)
            {
                m_values[offset] = values[row][col];
            }
        }
    }

    auto& at(std::size_t row, std::size_t col)
    {
        if ((row >= ROWS) || (col >= COLS)) throw std::invalid_argument{ "index out of range" };
        std::size_t offset = (COLS*row) + col;
        return m_values[offset];
    }

    const auto& operator()(std::size_t row, std::size_t col) const noexcept
    {
        std::size_t offset = (COLS*row) + col;
        return m_values[offset];
    }

    const auto& at(std::size_t row, std::size_t col) const
    {
        if ((row >= ROWS) || (col >= COLS)) throw std::invalid_argument{ "index out of range" };
        return operator()(row,col);
    }

    constexpr std::size_t rows() const noexcept { return ROWS;};
    constexpr std::size_t columns() const noexcept { return COLS;};

private:
    std::array<T,ROWS*COLS> m_values;
};


int main()
{
    array2d_t<int,2,2> matrix{{{0,1},{2,3}}};
}