ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2020. № 8
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.8.12
УДК 621.3.095.11
Полноволновые и импедансные модели сверхширокополосных тонких твист-метаполяризаторов для радиомаскирующих покрытий
П. В. Благовисный, А. И. Семенихин
Южный Федеральный Университет, Институт радиотехнических систем и управления, 347922, Таганрог, пер. Некрасовский, 44
Статья поступила в редакцию 7 июля 2020 г., после доработки – 19 августа 2020 г.
Аннотация. Современные малоотражающие непоглощающие покрытия основываются на принципах твист-эффекта, интерференционного гашения и диффузного рассеяния электромагнитных волн. Такие шахматно-подобные покрытия состоят из анизотропной метаповерхности на диэлектрической экранированной подложке и представляют собой распределенные по покрытию метаполяризаторы. Преимуществом данных структур являются: применимость в различных диапазонах длин волн (от микроволновых до терагерцового и оптического), отсутствие поглощения электромагнитной энергии и излучения в инфракрасном диапазоне. Однако разработка полноволновых моделей малозаметных анизотропных покрытий требует больших вычислительных ресурсов и затрат времени. Поэтому на практике параллельно используют более простые импедансные модели кодированных метаполяризаторов. В настоящей работе исследуются модели двух видов поляризаторов, отличающихся топологией метачастиц. Метаповерхность первого поляризатора состоит из метачастиц в форме «восьмёрок» (оригинальная топология), второго – из метачастиц в форме симметричных сплит-ринг резонаторов (усовершенствованная известная топология). Целью работы является исследование полноволновых и импедансных моделей более эффективных (по сравнению с известными) сверхширокополосных тонких однослойных метаполяризаторов применительно к созданию радиомаскирующих кодированных покрытий.
Для построения импедансных моделей взаимных метаполяризаторов применяются гомогенизация полей в канале Флоке и метод эквивалентных схем. Критериями применимости импедансных недиссипативных моделей являются удовлетворение теореме Фостера и тождественность частотных характеристик коэффициентов отражения для импедансных и полноволновых моделей поляризаторов. Электродинамическое моделирование выполняется в HFSS. Разработанные полноволновые и импедансные модели первого и второго метаполяризаторов обеспечивают твист-эффект, соответственно, по уровню минус 17 дБ и 15 дБ в полосе частот 67,1% и 70,9% (при нормальном падении). При увеличении угла падения волны до 20° наблюдается ухудшение твист-эффекта на 1-2дБ и уменьшение рабочей полосы частот на 5,8÷7,9%. На основании полученных результатов делается вывод о применимости предлагаемых метаполяризаторов и их импедансных моделей при создании радиомаскирующих кодированных покрытий.
Ключевые слова: метаполяризатор, анизотропная метаповерхность, метод эквивалентных схем, гомогенизация, твист-эффект, метачастица, метапокрытие.
Abstract. Modern low reflective non-absorptive coatings are based on the principles of the twist-effect, the interference cancellation and the diffuse scattering of electromagnetic waves. Such chess-like coatings consist of an anisotropic metasurface on a shielded dielectric substrate. They represent metapolarizers distributed over a coating. Advantages of these structures are: the applicability in different wavelength ranges (from microwave to terahertz and optics), the electromagnetic energy absorptionless and the absence of radiation in the infra-red range. However, the development of full-wave models of low observable anisotropic metasurfaces requires large computational resources and time consumption. In practice, therefore, simpler impedanced models of coded metapolarizers are used simultaneously. Two types of metapolarizers’ models, differed by metaparticles topology, are studied in this paper. The metasurface of the first MP consists of metaparticles in the form of "eights" (an original topology), the second one - of metaparticles in the form of symmetric split ring resonators (an improved know topology). The aim of the work is to investigate the full-wave and impedance models of more effective (compared with known ones) ultra-wide-band thin single-layer metapolarizers as applied to the creation of radio masking coded coatings. To construct impedance models of reciprocal metapolarizers, fields homogenization in the Floquet channel and the equivalent circuits method are used. The applicability criterion for impedanced dissipationless models of metapolarizers is the satisfaction of the Foster's theorem and the identity of the frequency characteristics of the reflection coefficients for the impedanced and full-wave MP models. Electrodynamics simulation is performed in HFSS. Designed full-wave and impedance models of the first and second metapolarizers provide a twist effect at the level of minus 17 dB and 15 dB in the frequency bands of around 67,1% and 70,9% respectively (under normal incidence). When increasing the wave incidence angle up to 20 degrees the twist-effect decreasing on 1-2 dB and the working frequency band narowing on 5-7% are observed. Applicability conclusion of using the proposed metapolarizers in the designs of cloaking coded covers is drawn based on the results obtained.
Key words: metapolarizer, anisotropic metasurface, equivalent circuits’ method, homogenization, twist-effect, metaparticle, metacovering.
Литература
1. Chen J., Cheng Q., Zhao J. Reduction of radar cross section based on a metasurface // Prog. Electromagn. Res. 2014. No.146. 71–6. https://doi.org/10.2528/pier14022606
2. Cui T.J., Qi M.Q., Wan X., Zhao J., Cheng Q. Coding Metamaterials, Digital Metamaterials and Programmable Metamaterials // Light: Science & Applications. 2014. Vol.3. No.10. 25 p. https://doi.org/0.1038/lsa.2014.99
3. Gao L.H., Cheng Q., Yang J., et al. Broadband Diffusion of Terahertz Waves by Multi-bit Coding Metasurfaces // Light: Science & Applications. 2014. No.4. e324. https://doi.org/10.1038/lsa.2015.97
4. Modi A.Y., Balanis C.A., Birtcher C.R., Shaman H. Novel design of ultrabroadband radar cross section reduction surfaces using artificial magnetic conductors // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Oct. 2017. Vol.65. No.10. P.5406–5417. https://doi.org/10.1109/tap.2017.2734069
5. Семенихин А.И., Семенихина Д.В., Юханов Ю.В., Климов А.В. Снижение ЭПР с помощью непоглощающих бинарных покрытий с анизотропной импедансной метаповерхностью // Антенны. 2019. № 1. С.65-72. https://doi.org/10.18127/j03209601-201901-09
6. Semenikhina D.V., Semenikhin A.I., Yukhanov Y.V. and Klimov A.V. Binary structures similar to checkerboard, with anisotropic impedance metasurface for RCS reduction // 2016 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA). Cairns, Australia. 2016. P.307-310. https://doi.org/10.1109/iceaa.2016.7731382
7. Петров Б.М., Семенихин А.И. Управляемые импедансные покрытия и структуры // Зарубежная радиоэлектроника. 1994. № 6. С.9-16.
8. Semenikhin A.I., Semenikhina D.V., Yukhanov Y.V., Blagovisnyy P.V. Digital 2-bit Metasurfaces with Coding Orientation of Anisotropy for RCS Reduction // 2017 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA)., Verona, Italy. 2017. P.360-363. https://doi.org/10.1109/iceaa.2017.8065250
9. Mohammad A., Samadi F., Sebak A.-R., Denidni T.A. Superbroadband Diffuse Wave Scattering Based on Coding Metasurfaces. Polarization conversion metasurfaces // IEEE Antennas & Propagation Magazine. Apr.2019. P.40-52. https://doi.org/10.1109/map.2019.2896218
10. Kong C., Li Z., Wu Z. Ultra-wideband Polarization Conversion Metasurface // 11th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory (ISAPE). 2016. P.210-212. https://doi.org/10.1109/ISAPE.2016.7833918
11. Semenikhina D.V., Klimov A.V., Semenikhin A.I., Yukhanov Y.V. Metamaterial-Inspired Model of Broadband Twist-Polarizer // IEEЕ Explore 2015 57th International Symposium ELMAR (ELMAR). 2015. P.149-152. https://doi.org/10.1109/ELMAR.2015.7334518
12. Климов А.В., Семенихин А.И. Модели сверхширокополосных двухслойных отражательных поляризаторов // Телекоммуникации. 2016. No.5. С.8-13.
13. Zhang L., Zhou P., Lu H., Chen H., Xie J., Deng L. Ultra-Thin Reflective Metamaterial Polarization Rotator Based on Multiple Plasmon Resonances // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2015. Vol.14. P.1157-1160. https://doi.org/10.1109/lawp.2015.2393376
14. Zhang L., Luo J., Zhou P., Chen H., Xie J., Deng L. Dual-band Polarization Converter Based on Reflective Metamaterial at Microwave Frequencies // 2016 Progress in Electromagnetic Research Symposium (PIERS). 2016. 4 p. https://doi.org/10.1109/piers.2016.7735417
15. Zhou Y., Cao X., Gao J., Li S. A C/X Dual-band Wide-angle Reflective Polarization Rotation Metasurface // Radioengineering. 2017. Vol.26. No.3. P.699-704. https://doi.org/10.13164/re.2017.0699
16. Yang D., Lin H., Huang X. Dual Broadband Metamaterial Polarization Converter in Microwave Regime // Progress In Electromagnetics Research Letters. 2016. Vol.61. P.71-76. https://doi.org/10.2528/pierl16033004
17. Li M., Lan F., Yang Z., Zhang Y., Shi Z., Shi M., Su H., Luo F. Broadband and Highly Efficient sub-THz Reflective Polarization Converter based on Z-shaped Metasurface // 6th International Conference on Mechatronics, Materials, Biotechnology and Environment (ICMMBE 2016). 2016. P.427-432. https://doi.org/10.2991/icmmbe-16.2016.80
18. Wei Z., Huang J., Li J., Xu G., Ju Z. Dual-broadband and near-perfect polarization converter based on anisotropic metasurface // Optical and Quantum Electronics. 2017. Vol.49. № No.9. 12 p. https://doi.org/10.1007/s11082-017-1121-5
19. Mao C., Yang Y., He X., Zheng J., Zhou C. Broadband reflective multi-polarization converter based on single layer double-L-shaped metasurface // Applied Physics A. 2017. Vol.123. No.12. P.767-762. https://doi.org/10.1007/s00339-017-1322-6
20. Zhang Z., Cao X., Gao J., Li S. Broadband Metamaterial Reflectors for Polarization Manipulation based on Cross/Ring Resonators // Radioengineering. 2016. Vol.25. No.3. P.436-441. https://doi.org/10.13164/re.2016.0436
21. Shi H., Li J., Zhang A., Wang J., Xu Z. Broadband cross polarization converter using plasmon hybridizations in a ring/disk cavity // Optics express. 2014. Vol.22. No.17. 9 p. https://doi.org/10.1364/oe.22.020973
22. Zhang L., Zhou P., Chen H., Lu H., Xie J., Deng L. Broadband and wide-angle reflective polarization converter based on metasurface at microwave frequencies // Applied Physics B. 2015. Vol.120. No.4. P.617-622. https://doi.org/0.1007/s00340-015-6173-2
23. Lin B.-Q., Guo J.-X., Chu P., Huo W.-J., Xing Z., Huang B.-G., Wu L. Multiple-Band Linear-Polarization Conversion and Circular Polarization in Reflection Mode Using a Symmetric Anisotropic Metasurface // Physical Review Applied. 2018. Vol.9. No.2. 10 p. https://doi.org/10.1103/physrevapplied.9.024038
24. Chen H., Wang J., Ma H., Qu S., Zhang J.-Q., Xu Z., Zhang A. Broadband perfect polarization conversion metasurfaces // Chinese Physics B. 2015. Vol.24. No.1. 5 p. https://doi.org/10.1088/1674-1056/24/1/014201
25. Chen H., Wang J., Ma H., Qu S., Xu Z., Zhang A., Yan M., Li Y. Ultra-wideband polarization conversion metasurfaces based on multiple plasmon resonances // Journal of Applied Physics. 2014. Vol.115. No.15. 4 p. https://doi.org/10.1063/1.4869917
26. Gao X., Han X., Cao W.P., Li H.O., Ma H.F., Cui T.J. Ultra-Wideband and High-Efficiency Linear Polarization Converter Based on Double V-Shaped Metasurface // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2015. Vol.63. No.8. P.3522-3530. https://doi.org/10.1109/tap.2015.2434392
27. Lin B.-Q., Da X.-Y., Wu J.-L., Li W., Fang Y.-W., Zhu Z.-H. Ultra-Wideband and High-Efficiency Cross Polarization Converter Based on Aisotropic Metasurface // Microwave and optical technology letters. 2003. Vol.58. No.10. P. 2402-2405. https://doi.org/10.1002/mop.30056
28. Mei Z.L., Ma X.M., Lu C., Zhao Y.D. High-efficiency and wide-bandwidth linear polarization converter based on double U-shaped metasurface // AIP Advances. 2017. Vol.7. No.12. 6 p.
Available at: https://aip.scitation.org/-doi/pdf/10.1063/1.5003446 https://doi.org/10.1063/1.5003446
29. Fang C., Cheng Y., He Z., Zhao J., Gong R. Design of a wideband reflective linear polarization converter based on the ladder-shaped structure metasurface // Optic – International Journal for Light and Electron Optics. 2017. Vol.137. P.148-155. https://doi.org/0.1016/j.ijleo.2017.03.002
30. Dong G.-X., Shi H., Xia S., Li W., Zhang A., Xu Z., Wei X.-Y. Ultra-broadband and high-efficiency polarization conversion metasurface with multiple plasmon resonance modes // Chinese Physics B. 2016. Vol.25. No.8. 6 p. https://doi.org/10.1088/1674-1056/25/8/084202
31. Zhang L., Zhou P., Chen H., Lu H., Xie J., Deng L. Adjustable wideband reflective converter based on cut-wire metasurface // Journal of Optics. 2015. Vol.17. No.10. 7 p. https://doi.org/10.1088/2040-8978/17/10/105105
32. Sun H., Gu C., Chen X., Li Z., Liu L., Martin F. Ultra-wideband and broad-angle linear polarization conversion metasurface // Journal of applied physics. 2017. Vol.121. No.17. 6 p. https://doi.org/10.1063/1.4982916
33. Xu J., Li R., Wang S., Han T. Ultra-broadband linear polarization converter based on anisotropic metasurface // Optics Express. 2018. Vol.26. No.20. 7 p. https://doi.org/10.1364/oe.26.026235
34. Costa F., Monorchio A., Manara G. Efficient Analysis of Frequency-Selective Surfaces by a Simple Equivalent-Circuit Model // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2012. Vol.54. No.4. P.35-48. https://doi.org/10.1109/map.2012.6309153
35. Sievenpiper D., Lijun Z., Broas R.F.J., Alexopolous N.G., Yablonovitch E., High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band // Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on. 1999. Vol.47. P.2059-2074. https://doi.org/10.1109/22.798001
36. Tretyakov S.A. Metasurfaces for general transformations of electromagnetic fields // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2015. Vol.373. No.2049. P.1-10. Available at: https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/-10.1098/rsta.2014.0362 https://doi.org/0.1098/rsta.2014.0362
37. Su P., Zhao Y., Jia S., Shi W., Wang H. An ultra-wideband and polarization independent metasurface for RCS reduction // Scientific Reports. 2016. Vol.6. No.1. 8 p. Available at: https://www.nature.com/articles/srep20387.pdf https://doi.org/10.1038/srep20387
Для цитирования:
Благовисный П.В., Семенихин А.И. Полноволновые и импедансные модели сверхширокополосных тонких твист-метаполяризаторов для радиомаскирующих покрытий. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.8.12