ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2022, № 11 · ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Цилиндрические анизотропные метаповерхности с биградиентным спиральным кодированием фазы Панчаратнам-Бэрри и аномальным рассеянием

А.И. Семенихин1, Д.В. Семенихина1

1 Южный Федеральный Университет, Институт радиотехнических систем и управления, Таганрог
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2022.11.14 УДК 621.371: 538.574 EDN CKEBZA

Аннотация

Исследуются характеристики рассеяния анизотропных цилиндрических фазо-градиентных метаповерхностей (МП) с различным спиральным кодированием фазы Панчаратнам-Бэрри (Pancharatnam-Berry phase - PB-фазы). Сравнивается эффективность снижения поля рассеяния волн круговых поляризаций (circularly polarized waves - СР-волн) в переднем полупространстве для трех различных моделей МП с одинаковым градиентом PB-фазы в азимутальном направлении и различными градиентами фазы в осевом направлении. Метаповерхности конформно расположены на полуцилиндрических металлических многогранных призмах. Метачастицы имеют вид тройных связанных сплит-ринг резонаторов. Спиральное кодирование PB-фазы единичных ячеек МП в азимутальном и осевом направлениях осуществляется вращением метачастиц. Численно оценивается влияние постоянных фазовых градиентов на частотные характеристики обратно рассеянных полей и бистатические диаграммы рассеяния СР-волн в азимутальной и меридиональной плоскостях. Показано, что осевой градиент фазы вызывает более эффективное аномальное рассеяние ко- и кросс-поляризованных СР-волн. Он приводит к отклонению интенсивных дифракционных лепестков от нормали в меридиональной плоскости на большой угол и к смещению лепестков в азимутальной плоскости. Биградиентные МП обеспечивают снижение поля рассеяния СР-волн не менее, чем на 10 дБ в полосе от 10-12 ГГц до 18.5 ГГц в широких секторах углов в азимутальной (до ±75°) и в меридиональной (до ±40°) плоскостях.

  • цилиндрические анизотропные метаповерхности
  • фазо-градиентные метаповерхности
  • аномальное рассеяние
  • фаза Панчаратнам-Бэрри
  • Снижение ЭПР
Abstract (in English)

Cylindrical anisotropic metasurfaces with Pancharatnam-Berry phase bigradient helical coding and anomalous scattering

Scattering characteristics of anisotropic cylindrical phase-gradient metasurfaces (MSs) with various helical Pancharatnam-Berry phase (PB-phase) coding are studied. The efficiencies of the scattering field reduction of circularly polarized (CP) waves in the forward half-space is compared for three different MS models with the same PB-phase gradient in the azimuthal direction and different phase gradients in the axial direction. The metasurfaces are conformally located on semi-cylindrical metallic polyhedral prisms. The meta-particles are of the form of triple coupled split-ring resonators. Spiral coding of the PB-phase of MS unit cells in the azimuthal and axial directions is carried out by the rotation of the meta-particles. The effect of constant phase gradients on the frequency characteristics of backscattered fields and bistatic diagrams of scattering of CP-waves in the azimuthal and meridional planes is numerically estimated. It is shown that the axial phase gradient causes more efficient anomalous scattering of co- and cross-polarized CP-waves. It leads to the deviation of intense diffraction lobes from the normal in the meridional plane by a large angle, with a shift of the lobes in the azimuthal plane. Bigradient MSs provide the scattering field reduction of CP-waves by at least 10 dB in the band from 10-12 GHz to 18.5 GHz in almost the entire forward half-space in the azimuthal plane and in the sector of angles up to ±45° in the meridional plane.

Для цитирования

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

Литература

  1. Yu N. et al. Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction. Science. 2011. V.34. Р.333-337. https://doi.org/10.1126/science.1210713
  2. Aieta F. et al. Out-of-Plane Reflection and Refraction of Light by Anisotropic Optical Antenna Metasurfaces with Phase Discontinuities. Nano Lett. 2012. V.12. Р.1702-1706. https://doi.org/10.1021/nl300204s
  3. Chen W., Balanis C.A., Birtcher C.R., and Modi A.Y. Cylindrically curved checkerboard surfaces for radar cross-section reduction. IEEE Antennas Wireless Propag. Lett. 2018. V.17. №2. P.343-346. https://doi.org/10.1109/LAWP.2018.2789906
  4. Zhao J., et al. Achieving flexible low-scattering metasurface based on randomly distribution of metaelements. Optics Express. 2016. V.24. №24|28. P.27850. https://doi.org/10.1364/OE.24.027849
  5. Shahi A. and Abdolali A. Cylinder scattering pattern manipulation for dual-polarized radar cross-section reduction using inhomogeneous metasurface. 2017 Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE). 2017. P.1691-1696. https://doi.org/10.1109/IranianCEE.2017.7985322
  6. Luo X.-Y., Chen K., Guo W.-L., and Feng Y.J. Ultra-Thin Conformal Metasurface for Backward RCS Reduction of Large Cylindrical Object. 2019 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). 2019. P.1-3. https://doi.org/10.1109/ICMMT45702.2019.8992058
  7. Chen K., et al. Coding metasurface for broadband microwave scattering reduction with optical transparence. Optics Express. 2017. V.25. №5|6. P.5571. https://doi.org/10.1364/OE.25.005571
  8. Wang M., et al. The diffusion conformal metasurface for wide-band RCS reduction of cylindrical target. 2017 Sixth Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP). 2017. P.1-3. https://doi:10.1109/APCAP.2017.8420767
  9. Li S., et al. Design of Broadband and Broad-Angle Low-Scattering Conformal Metasurface with Genetic Algorithm. 2019 International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium - China (ACES). 2019. P.1-2. https://doi.org/10.23919/ACES48530.2019.9060674
  10. Wang Y. and Su J. Conformal Metasurface for Wideband RCS Reduction. 2020 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications (IMWS-AMP). 2020. P.1-3. https://doi.org/10.1109/IMWS-AMP49156.2020.9199688
  11. Wang Y. et al. A Prismatic Conformal Metasurface for Radar Cross-Sectional Reduction. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2020. V.19. №4. P.631-635. https://doi.org/10.1109/LAWP.2020.2974018
  12. Chatterjee J., Mohan, A. and Dixit V. Ultrawideband RCS Reduction of Planar and Conformal Surfaces Using Ultrathin Polarization Conversion Metasurface. IEEE Access. 2022. V.10. P.36563-36575. https://doi:10.1109/ACCESS.2022.3163850
  13. Fu C. et al.Combining Pancharatnam-Berry Phase and Conformal Coding Metasurface for Dual-Band RCS Reduction. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2022. V.70. №3. P.2352-2357. https://doi.org/10.1109/TAP.2021.3112618
  14. Zhou Y.et al., Wavefront Control of 2D Curved Coding Metasurfaces Based on Extended Array Theory. IEEE Access. 2019. V.7. P.158427-158433. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2905656
  15. Semenikhin A.I., Semenikhina D.V., Yukhanov Y.V., and Blagovisnyy P.V. Synthesis of 1-bit Digital Anisotropic Impedance Cylindrical Metasurface for Monostatic RCS Reduction. 2018 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA). 2018. P.153-156. https://doi.org/10.1109/ICEAA.2018.8519811
  16. Semenikhin A.I., Semenikhina D.V., Yukhanov Y.V., and Blagovisnyy P.V. Reduction and Cancellation of the RCS of Cylindrical Surfaces Using Conformal Digital 1-bit Meta-covers. 2019 International Symposium ELMAR. 2019. P.167-170. https://doi.org/10.1109/ELMAR.2019.8918812
  17. Semenikhin A.I., Semenikhina D.V., Yukhanov Y.V., and Blagovisnyy P.V. "Effect of Marguerite" in Scattering Patterns of Cylindrical Digital 1-Bit Anisotropic Metasurfaces. 2019 Antennas Design and Measurement International Conference (ADMInC). 2019. P.154-157. https://doi.org/10.1109/ADMInC47948.2019.8969144