ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №2

УДК: 621.371: 538.574

ШИРОКОУГОЛЬНОЕ ГАШЕНИЕ РАССЕЯНИЯ
ОТ МЕТАПОВЕРХНОСТЕЙ ПАНЧАРАТНАМА-БЕРРИ
С ГИБРИДНЫМИ И КОМБИНИРОВАННЫМИ ГИБРИДНЫМИ
ФАЗОВЫМИ ОУМ-ПРОФИЛЯМИ

А.И. Семенихин, Д.В. Семенихина, А.М. Зыкина

Южный Федеральный Университет,
Институт радиотехнических систем и управления,
347928, Таганрог, пер. Некрасовский, 44

Статья поступила в редакцию 21 января 2025 г.

Аннотация. В статье рассмотрен фазовый механизм широкополосного широкоугольного снижения эффективной площади рассеяния (ЭПР), основанный на применении непоглощающих метаповерхностей (МП) Панчаратнама-Берри (ПБ) с генерацией орбитального углового момента (ОУМ) и комбинированием различных фазовых профилей. Единичные ячейки МП содержат тонкую экранированную однослойную подложку и мета-частицы в виде перфорированных прямоугольных полосков с кодированным углом поворота. Целью работы является сравнение характеристик рассеяния и эффективности гашения рассеянного поля конструктивных элементов (модулей) МП, состоящих из одинакового числа мета-частиц, но имеющих различные профили ПБ-фазы. Характеристики рассеяния модулей МП исследуются в HFSS (методом конечных элементов) на ко- и кросс-поляризациях в случае облучения нормально падающей плоской волной левой круговой поляризации. Симуляция показала, что диаграммы рассеяния ко-поляризованного поля МП во всех этих случаях имеют воронкообразный вихревой характер с винтовым спиралевидным фазовым фронтом и ОУМ. Генерация ОУМ существенно подавляет обратное рассеяние на ко-поляризации. Комбинирование ОУМ-профилей и параболических профилей увеличивает диффузию широкополосного рассеяния, реализует более широкоугольное рассеяние результирующего поля, что важно для снижения ЭПР. Поэтому спроектированы гибридные МП Панчаратнама-Берри и комбинированные гибридные МП и изучены их характеристики рассеяния. Гибридные МП состоят из двух субблоков различной формы, каждый из которых представляет собой фрагмент противофазных ОУМ-модулей квадратной формы. Комбинированные гибридные МП строятся наложением модифицированного параболического профиля на ОУМ-профили субблоков гибридных МП. Показана правомерность голографического подхода, заложенного в основу проектирования гибридных МП, согласно которому фрагмент (часть) метаповерхности сохраняет фазовые свойства объектной волны целой метаповерхности. Из сравнения диффузии и гашения волн гибридными и комбинированными гибридными метаповерхностями следует, что комбинированные гибридные МП реализуют более широкоугольное диффузное вихревое воронкообразное рассеяние ко-поляризованного поля
с углом раствора интенсивных боковых лепестков до 88°, тогда как гибридные МП того же размера имеют угол раствора воронки около 55°.

Ключевые слова: метаповерхность, фаза Панчаратнам-Бэрри, диффузия рассеяния, орбитальный угловой момент, снижение ЭПР.

Финансирование: Работа выполнена в Центре коллективного пользования «Прикладная электродинамика и антенные измерения» Южного федерального университета, Таганрог, по гранту Российского научного фонда (Проект №22-19-00537, https://rscf.ru/project/22-19-00537/).

Автор для переписки: Семенихина Диана Викторовна, d_semenikhina@mail.ru

Литература

1. Li B. Q. et al. Electromagnetic Scattering Suppression Based on Multi-beam OAM Metasurface //2022 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). – IEEE, 2022. – С. 1-3.https://doi.org/10.1109/ICMMT55580.2022.10023076

2. Li H. et al. Research on the OAM and reduction of RCS of a dynamically tunable terahertz reconfigurable metasurface //JOSA B. – 2023. – Т. 40. – №. 8. – С. 1931-1944. https://doi.org/10.1364/JOSAB.491612

3. Liu Q. et al. RCS reduction metasurface based on orbital angular momentum //Results in Physics. – 2023. – Т. 53. – С. 107008. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2023.107008

4. Semenikhin A.I., Semenikhina D.V., Yukhanov Y.V. Digital Pancharatnam-Berry Metasurfaces with 1-bit OAM-Modules for Broadband RCS Reduction //2023 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA). – IEEE, 2023. – С. 019-023. https://doi.org/10.1109/ICEAA57318.2023.10297857

5. Semenikhin A.I., Semenikhina D.V. Pancharatnam-Berry Metasurfaces Based on In-Phase and Anti-phase OAM-Modules for Broadband RCS Reduction //2023 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW). – IEEE, 2023. – С. 296-299. https://doi.org/10.1109/RSEMW58451.2023.10201940

6. Zhang Y. et al. Broadband diffuse terahertz wave scattering by flexible metasurface with randomized phase distribution //Scientific Reports. – 2016. – Т. 6. – №. 1. – С. 26875. https://doi.org/10.1038/srep26875

7. Su J. et al. Ultra-wideband, wide angle and polarization-insensitive specular reflection reduction by metasurface based on parameter-adjustable meta-atoms //Scientific reports. – 2017. – Т. 7. – №. 1. – С. 42283. https://doi.org/10.1038/srep42283

8. Chen K. et al. Geometric phase coded metasurface: from polarization dependent directive electromagnetic wave scattering to diffusion-like scattering //Scientific reports. – 2016. – Т. 6. – №. 1. – С. 35968. https://doi.org/10.1038/srep35968

9. Sun H. et al. Broadband and broad-angle polarization-independent metasurface for radar cross section reduction //Scientific reports. – 2017. – Т. 7. – №. 1. – С. 40782. https://doi.org/10.1038/srep40782

10. Chen Z., Deng H., Zheng L. Phase random metasurface with diffuse scattering based on subwavelength unit’s design of shunt resonance circuit //IEEE Access. – 2020. – Т. 8. – С. 220017-220026. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3042531

11. Semenikhin A.I., Semenikhina D.V., Yukhanov Y.V. Anisotropic 2-bit Low-RCS Meta-coatings with Improved Diffusion Scattering //2022 International Conference on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT). – IEEE, 2022. – С. 1-4. https://doi.org/10.1109/ICCT56057.2022.9976846

12. Semenikhin A., Semenikhina D. 2-bit Digital Anisotropic Low-RCS Metasurfaces with Puzzles'-type Modules with Improved Diffusion Scattering //2022 16th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). – IEEE, 2022. – С. 1-3. https://doi.org/10.23919/EuCAP53622.2022.9769355

13. Al-Nuaimi M.K.T. et al. Wideband Radar Cross Section Reduction Using Parabolic Phased Metasurfaces //IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. – 2023 – Т. 22. – №. 7. – С. 1547-1551. https://doi.org/10.1109/LAWP.2023.3250453

14. Yuan F. et al. RCS reduction based on concave/convex-chessboard random parabolic-phased metasurface //IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2019. – Т. 68. – №. 3. – С. 2463-2468. https://doi.org/10.1109/TAP.2019.2940503

15. Xu H.X. et al. Broadband wide-angle polarization-independent diffusion using parabolic-phase metasurface //2018 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility and 2018 IEEE Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC/APEMC). – IEEE, 2018. – С. 1114-1118. https://doi.org/10.1109/ISEMC.2018.8393960

16. Wang C. et al. Hybrid-phase approach to achieve broadband monostatic/bistatic RCS reduction based on metasurfaces //Journal of Physics D: Applied Physics. – 2020. – Т. 53. – №. 36. – С. 365001. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/ab9266

17. Семенихин А.И., Семенихина Д.В. Метаповерхности Патчаратнама-Берри с генерацией углового орбитального момента и комбинированным фазовым кодированием для широкополосного широкоугольного снижения ЭПР. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.5.9 .

18. Jack B., Padgett M.J., Franke-Arnold S. Angular diffraction //New Journal of Physics. – 2008. – Т. 10. – №. 10. – С. 103013. http://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/10/10/103013

19. Kock W.E., Kock W.E. Microwave holography //Engineering Applications of Lasers and Holography. – 1975. – С. 179-223. https://doi.org/10.1007/978-1-4684-2160-6_10

Для цитирования:

Семенихин А.И., Семенихина Д.В., Зыкина А.М. Широкоугольное гашение рассеяния от метаповерхностей Панчаратнама-Берри с гибридными и комбинированными гибридными фазовыми ОУМ-профилями. // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – №. 2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.2.6