ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №5

УДК: 621.371: 538.574

2-БИТНЫЕ МЕТАПОВЕРХНОСТИ ПАТЧАРАТНАМА-БЕРРИ
С ГЕНЕРАЦИЕЙ, ИНТЕРФЕРЕНЦИЕЙ
И ГАШЕНИЕМ ОРБИТАЛЬНОГО УГЛОВОГО МОМЕНТА
ДЛЯ ШИРОКОПОЛОСНОГО СНИЖЕНИЯ ЭПР

А.И. Семенихин, Д.В. Семенихина

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

Статья поступила в редакцию 1 января 2024 г.

Аннотация. Рассмотрено снижение эффективной площади рассеяния (ЭПР) с помощью непоглощающих цифровых метаповерхностей (МП) Патчаратнама-Берри (Pancharatnam-Berry –PB), состоящих из 2-битных модулей с генерацией, интерференцией и гашением вихревых электромагнитных волн с орбитальным угловым моментом (ОУМ). Каждый модуль имеет спиральный профиль РВ-фазы и обладает вихревым рассеянием. Единичные ячейки модулей содержат экранированную диэлектрическую подложку и мета-частицы в виде тройных связанных сплит-ринг резонаторов. Цифровые модули отличаются 2-битным кодированием начального угла наклона мета-частиц 0º, 45º, 90º и 135º. Целью работы является численный анализ генерации противофазных вихревых лучей (vortex beams – VBs) ОУМ-модулями и оценка влияния интерференции и гашения противофазных вихрей на структуру и порядок ОУМ результирующего поля и снижение ЭПР трех цифровых МП в виде 2´2 решеток 2-битных ОУМ-модулей разных размеров с разным топологическим зарядом. Характеристики рассеяния исследуются в HFSS методом конечных элементов для нормально падающих волн круговой поляризации. Симуляция показала, что наложение фазовых вихрей модулей формирует в диаграммах рассеяния ко-поляризованного поля МП главный осевой вихрь и N дополнительных интерференционных боковых ближних и дальних вихрей. Число таких вихрей больше для МП большего размера (N = 24 на частоте 14 ГГц). Интерференционные вихревые лучи создают фазовые сингулярности и обнуляют результирующее поле в N боковых направлениях, распределенных по всей передней полусфере. Интенсивные моды ОУМ главных вихревых лучей МП имеют четвертый или восьмой порядок. Моды ОУМ соседних интерференционных VBs, как правило, отличаются знаком. Предложенные 2-битные МП обеспечивают более широкоугольное фазовое гашение вихрей (по сравнению с 1-битными МП) и, как следствие, более лучшее диффузное рассеяние результирующего поля МП, что важно для снижения ЭПР.

Ключевые слова: метаповерхность, фаза Панчаратнам-Бэрри, орбитальный угловой момент (OУM), вихревой луч, интерференция и гашение ОУМ, 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. Zhuang Y. et al. Random combinatorial gradient metasurface for broadband, wide-angle and polarization-independent diffusion scattering //Scientific Reports. – 2017. – Т. 7. – №. 1. – С. 16560. https://doi.org/10.1038/s41598-017-16910-4

2. Lu Y. et al. 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. – Т. 67. – №. 7. – С. 4936-4941. https://doi.org/10.1109/TAP.2019.2911185

3. 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

4. Chen W., et al. Broadband Polarization Conversion Metasurface for Radar Cross Section Reduction // 2018 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), – IEEE, 2018. – C. 1-3. https://doi.org/10.1109/ICMMT.2018.8563649

5. 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

6. Lin B. Q. et al. Ultra-wideband and polarization-independent RCS reduction based on polarization conversion metasurface //Radio Science. – 2022. – Т. 57. – №. 2. – С. 1-9. https://doi.org/10.1029/2021RS007383

7. Chatterjee J., Mohan A., Dixit V. Ultrawideband RCS Reduction of Planar and Conformal Surfaces Using Ultrathin Polarization Conversion Metasurface //IEEE Access. – 2022. – Т. 10. – С. 36563-36575. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3163850

8. Semenikhin A.I., Semenikhina D.V. Wideband Phase Gradient Metasurfaces with Anomalous Diffuse Scattering to Reduce RCS for Linear and Circular Polarizations //2021 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW). – IEEE, 2021. – С. 261-264. https://doi.org/10.1109/RSEMW52378.2021.9494040

9. Zhang K. et al. A review of orbital angular momentum vortex beams generation: from traditional methods to metasurfaces //Applied sciences. – 2020. – Т. 10. – №. 3. – С. 1015. https://doi.org/10.3390/app10031015

10. Wang Z. et al. Multiple OAM beams design using the pattern product method //2020 International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium (ACES). – IEEE, 2020. – С. 1-2. https://doi.org/10.23919/ACES49320.2020.9196117

11. Zhang L. et al. Advances in full control of electromagnetic waves with metasurfaces //Advanced Optical Materials. – 2016. – Т. 4. – №. 6. – С. 818-833. https://doi.org/10.1002/adom.201500690

12. Xu H. X. et al. Broadband vortex beam generation using multimode Pancharatnam–Berry metasurface //IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2017. – Т. 65. – №. 12. – С. 7378-7382. https://doi.org/10.1109/TAP.2017.2761548

13. Yang L. J., Sun S., Wei E. I. Ultrawideband reflection-type metasurface for generating integer and fractional orbital angular momentum //IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2019. – Т. 68. – №. 3. – С. 2166-2175. https://doi.org/10.1109/TAP.2019.2948711

14. Al-Nuaimi M. K. T., Huang G. L. Generation and Manipulation of OAM Beams Using Pancharatnam-Berry Coding Metasurface //2021 International Applied Computational Electromagnetics Society (ACES-China) Symposium. – IEEE, 2021. – С. 1-3. https://doi.org/10.23919/ACES-China52398.2021.9581402

15. Zhou Z. et al. Research on Rcs Reduction and Oam Vortex Beam Generation Based on Terahertz Ring-Shaped Polarization Converter //Available at SSRN 4210221. https://ssrn.com/abstract=4210221

16. . 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

17. Meng Z. K. et al. Multifunctional scattering antenna array design for orbital angular momentum vortex wave and RCS reduction //IEEE access. – 2020. – Т. 8. – С. 109289-109296. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3001576

18. Semenikhin A. I., Semenikhina D. V., Yukhanov Y. V. Pancharatnam-Berry Coding Metasurfaces with OAM Vortex Wave Generation for Broadband RCS Reduction //2023 IEEE Radio and Antenna Days of the Indian Ocean (RADIO). – IEEE, 2023. – С. 1-2. https://doi.org/10.1109/RADIO58424.2023.10146073

19. 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

20. Семенихин А.И., Семенихина Д.В. Цилиндрические анизотропные метаповерхности с биградиентным спиральным кодированием фазы Панчаратнам-Бэрри и аномальным рассеянием //Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. – 2022. – №11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.11.14

21. Yue F. et al. Vector vortex beam generation with a single plasmonic metasurface// ACS photonics. – 2016. – Т. 3. – №. 9. – С. 1558-1563. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6b00392

Для цитирования:

Семенихин А.И., Семенихина Д.В. 2-битные метаповерхности Патчаратнама-Берри с генерацией, интерференцией и гашением орбитального углового момента для широкополосного снижения ЭПР. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.5.10