ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2020. № 12
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.12.4
УДК 621.371: 538.574
Блочный принцип построения и оценки снижения эпр непоглощающих широкополосных 2-битных анизотропных цифровых метапокрытий
А. И. Семенихин, Д. В. Семенихина, Ю. В. Юханов, П. В. Благовисный
Южный Федеральный Университет, Институт радиотехнических систем и управления, 347928, Таганрог, пер. Некрасовский, 44
Статья поступила в редакцию 4 декабря 2020 г.
Аннотация. Рассмотрен блочный принцип построения матриц кодирования непоглощающих плоских цифровых анизотропных метапокрытий (МП), применяемых для снижения моностатических ЭПР объектов. Сущность данного принципа состоит в 2-битном кодировании углов наклона осей анизотропии модулей МП таким образом, чтобы произвольные соседние четыре модуля МП образовывали две пары противофазных модулей. Применение блочного принципа при разработке МП обеспечивает снижение моностатической ЭПР на кроссовой поляризации благодаря интерференционному гашению волн. Снижение моностатической ЭПР МП на согласованной поляризации (ко-ЭПР) обусловлено твист-эффектом. Одновременно с гашением и твист-эффектом в разработанных цифровых МП реализовано диффузное рассеяние волн. Предложенные 2-битные анизотропные МП позволяют достичь более эффективного снижения моностатических ко-ЭПР (по отношению к традиционно принятому уровню минус 10 дБ) в широкой полосе частот, для различных плоскостей поляризации падающей волны. Разработаны импедансные и полноволновые модели двух основных блоков цифровых анизотропных МП. Для импедансной модели блока МП с помощью метода физической оптики получено асимптотическое представление поляризационной матрицы рассеяния. Алгоритм расчёта частотных характеристик (ЧХ) моностатических ко-ЭПР импедансных моделей блоков МП реализован в программе Octave. Полноволновые модели блоков МП построены в программе HFSS. Изготовлены макеты двух основных блоков МП. Измерены моностатические ко-ЭПР блоков в полосе частот 7÷17.5 ГГц для различных поляризаций падающей волны. Показано хорошее совпадение рассчитанных и измеренных ЧХ моностатических ЭПР моделей и макетов блоков 2-битных анизотропных МП. Рассчитанные и измеренные уровни снижения моностатической ЭПР основных блоков составили не менее 12,5 – 13,5дБ на разных ко-поляризациях в полосе от 10,2 до 17,5 ГГц и выше (по результатам расчетов).
Ключевые слова: анизотропные цифровые метапокрытия, метаповерхности, измерение ЭПР, твист-эффект, метод физической оптики, матрицы кодирования, полноволновое моделирование.
Abstract. The block principle of constructing of coding matrices for non-absorbing flat digital anisotropic meta-coatings (MC) used to reduce monostatic RCS of objects is considered. The essence of this principle consists in 2-bit coding of the tilt angles of the anisotropy axes of the MC modules so that four arbitrary adjacent modules of the MC form two pairs of antiphase modules. The use of the block principle in the development of a MC provides a reduction of monostatic RCSs on cross polarization due to cancellation of interference waves. The reduction of the monostatic RCS of a MC at matched polarization (co-RCS) is due to the twist-effect. Simultaneously with cancellation and twist-effect, diffuse wave scattering is implemented in the developed digital MCs. The proposed 2-bit anisotropic MCs make it possible to achieve a more effective reduction of monostatic co-RCS (in relation to the traditionally accepted level of minus 10 dB) in a wide frequency band, for different polarization planes of the incident wave. The impedance and full-wave models of the two main blocks of digital anisotropic MCs are developed. An asymptotic representation of the polarization scattering matrix is obtained for the impedance model of the MC block using the method of physical optics. The algorithm for calculating the frequency characteristics (FC) of monostatic co-RCS of impedance models of MC blocks is implemented in the Octave program. Full-wave models of MC blocks are built using the HFSS program. Layouts of two main MC blocks were made. Monostatic co-RCSs of the blocks are measured in the 7÷17.5 GHz frequency band for different polarizations of the incident wave. It is shown that the calculated and measured frequency characteristics of monostatic RCS of the models and layouts of blocks of 2-bit anisotropic MCs are in good agreement. The calculated and measured levels of monostatic RCS reduction of the main blocks are at least 12.5 - 13.5 dB at different co-polarizations in the band from 10.2 to 17.5 GHz and higher (based on the results of calculations).
Key words: anisotropic digital meta-coatings, metasurfaces, measurement of RCS, twist-effect, physical optics method, coding matrices, full-wave simulation.
Литература
1. Iriarte J.C., Pereda A.T., de Falcon J.L.M., Ederra I., Gonzalo R. Broadband Radar Cross-Section Reduction using AMC Technology // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013. Vol.61. No.12. P.6136-6143. https://doi.org/10.1109/tap.2013.2282915
2. Chen W., Balanis C.A., Birtcher C.R. Checkerboard EBG Surfaces for Wideband Radar Cross Section Reduction // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2015. Vol.63. No.6. P.2636-2645.
https://doi.org/10.1109/tap.2015.2414440
3. Chen W., Balanis C.A., Birtcher C.R. Dual Wide-Band Checkerboard Surfaces for Radar Cross Section Reduction // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2016. Vol.64. No.9. P.4133-4138. https://doi.org/10.1109/tap.2016.2583505
4. Haji-Ahmadi M.-J., Nayyeri V., Soleimani M., Ramahi O.M. Pixelated Checkerboard Metasurface for Ultra-Wideband Radar Cross-Section Reduction // Scientific Reports. 2017. Vol.7. No.1. 12 p. Available at:
https://www.nature.com/articles/s41598-017-11714-y. https://doi.org/10.1038/s41598-017-11714-y
5. 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. 2017. Vol.65. No.10. P.5406-5417. https://doi.org/10.1109/tap.2017.2734069
6. Yang J.J., Cheng Y.Z., Ge C.C., Gong R.Z. Broadband Polarization Conversion Metasurface Based on Metal Cut-Wire Structure for Radar Cross Section Reduction // Materials. 2018. Vol.11. No.4. 12 p. Available at:
https://www.mdpi.com/1996-1944/11/4/626/htm https://doi.org/10.3390/ma11040626
7. Jiang W., Xue Y., Gong S.-X. Polarization Conversion Metasurface for Broadband Radar Cross Section Reduction // Progress In Electromagnetics Research Letters. 2016. Vol.62. P.9-15. Available at:
http://www.jpier.org/PIERL/pier.php?paper=16060504. https://doi.org/10.2528/pierl16060504
8. Su J., Lu Y., Liu J., Yang Y., Li Z., Song J. A Novel Checkerboard Metasurface Based on Optimized Multielement Phase Cancellation for Superwideband RCS Reduction // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. Vol.66. No.12, P.7091-7099. https://doi.org/10.1109/tap.2018.2870372
9. Lu Y., Su J., Liu J., Guo Q., Yin H., Li Z., Song J. Ultrawideband Monostatic and Bistatic RCS Reductions for Both Copolarization and Cross Polarization Based on Polarization Conversion and Destructive Interference // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2019. Vol.67. No.7. P.4936-4941. https://doi.org/10.1109/tap.2019.2911185
10.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
11.Semenikhin A.I., Semenikhina D.V., Yukhanov Y.V., Blagovisnyy P.V. Broadband RCS Reduction Using Digital Impedance Metasurfaces with 2-bit Coding of Axes of Anisotropy and Eigen Reactances // 2018 Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS-Toyama). 2018. 8 p. https://doi.org/10.23919/piers.2018.8597701
12.GNU Octave: Scientific Programming Language. Available online: https://www.gnu.org/software/octave/ (Дата обращения: 27.09.2020)
13.Ansys HFSS: 3D Electromagnetic Field Simulator for RF and Wireless Design. Available online: https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss/ (Дата обращения: 27.09.2020)
14.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
Для цитирования:
Семенихин А.И., Семенихина Д.В., Юханов Ю.В., Благовисный П.В. Блочный принцип построения и оценки снижения ЭПР непоглощающих широкополосных 2-битных анизотропных цифровых метапокрытий. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.12.4