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

УДК: 621.371: 538.574

Метаповерхности Патчаратнама-Берри
с генерацией углового орбитального момента
и комбинированным фазовым кодированием
для широкополосного широкоугольного 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 12 февраля 2024 г.

Аннотация. Рассмотрен фазовый механизм широкополосного широкоугольного снижения эффективной площади рассеяния (ЭПР), основанный на применении непоглощающих метаповерхностей (МП) Патчаратнама-Берри (Pancharatnam-Berry – РВ) 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 РВ-фазы. Анализируются профиль с азимутальным градиентом, формирующий широкополосное рассеяние вихревых волн с ОУМ; профили с радиальным и линейным градиентами и аномальным рассеянием; параболические профили с широкоугольным рассеянием; различные комбинированные фазовые профили. Характеристики рассеяния модулей МП исследуются в HFSS (методом конечных элементов) на ко- и кросс-поляризациях в случае облучения нормально падающей плоской волной круговой поляризации. Симуляция показала, что диаграммы рассеяния ко-поляризованного поля МП в этих случаях имеют воронкообразный вихревой характер с интенсивным ОУМ минус первого порядка (порядок ОУМ остается таким же, как для МП с азимутальным градиентом фазы). Генерация ОУМ существенно подавляет обратное рассеяние на ко-поляризации. Фаза дальнего поля в области вихря зависит не только от азимутального, но и от меридионального углов наблюдения. Комбинирование ОУМ и параболического профиля увеличивает диффузию широкополосного рассеяния, реализует более широкоугольное рассеяние результирующего поля с углом раствора вихря около 100° (на средней частоте 14 ГГц), что важно для снижения ЭПР.

Ключевые слова: метаповерхность, фаза Панчаратнам-Бэрри, фазо-градиентные метаповерхности, аномальное рассеяние, вихревое рассеяние, 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. 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

2. 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

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. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. Aieta F. et al. Out-of-Plane Reflection and Refraction of Light by Anisotropic Optical Antenna Metasurfaces with Phase Discontinuities// Nano Lett. Feb. 2012. Vol.12. Р.1702–1706. https://doi.org/10.1021/nl300204s

10. Al-Nuaimi M. K. T., Whittow W. G. Wideband Radar Cross Section Reduction Using Cubic Phased Metasurface at Microwave Regime //2023 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). – IEEE, 2023. – С. 1-5. https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.1013365

11. Al-Nuaimi M. K. T. et al. Wideband Radar Cross Section Reduction Using Parabolic Phased Metasurfaces //IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. – 2023. https://doi.org/10.1109/LAWP.2023.3250453

12. 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

13. Yuan F. et al. Broadband RCS reduction based on parabolic-phased diffused metasurface //2018 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). – IEEE, 2018. – С. 1-3. https://doi.org/10.1109/ICMMT.2018.8563461

14. 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

15. 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. http://dx.doi.org/10.1088/1361-6463/ab9266

Для цитирования:

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