2-битные метаповерхности Патчаратнама-Берри с генерацией, интерференцией и гашением орбитального углового момента для широкополосного снижения ЭПР

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.

• метаповерхность
• фаза Панчаратнам-Бэрри
• орбитальный угловой момент (OУM)
• вихревой луч
• интерференция и гашение ОУМ
• Снижение ЭПР

Abstract (in English)

Patcharatnam-Berry metasurfaces with angular orbital momentum generation and combined phase coding for wideband wide-angle RCS reduction

The radar cross-section (RCS) reduction using non-absorbing digital Patcharatnam-Berry (PB) metasurfaces (MSs), consisting of 2-bit modules with generation, interference and cancellation of vortex electromagnetic waves with orbital angular momentum (OAM) is studied. Each module has a helical PB-phase profile and possesses vortex scattering. Module unit cells contain a shielded dielectric substrate and meta-particles in the form of triple-coupled split-ring resonators. The modules are distinguished by 2-bit coding of the initial tilt angle of the meta-particles 0º, 45º, 90º and 135º. The purpose of the work is to numerically analyze the generation of antiphase vortex beams (VBs) by OAM-modules and to assess the influence of interference and cancellation of antiphase vortices on the structure and order of OAM in the resulting field and the RCS reduction of three digital MSs in the form of 2´2 lattice of 2-bit OAM-modules of different sizes with different topological charges. The scattering characteristics are studied using HFSS for normally incident circularly polarized waves using of the finite element method. The simulation showed that the interference of phase vortices of four OAM-modules forms the main axial vortex and N additional interference side near and far vortices ( N depends on the size of the MS). Interference vortex beams create phase singularities and zero the resulting far field in N side directions over the entire forward hemisphere. The intense OAM modes of the main vortex beams are of the fourth or eighth order. The OAM modes of adjacent interference VBs, as a rule, differ in sign. The proposed 2-bit MSs provide wider-angle phase cancellation of vortex fields (compared to 1-bit MSs) and, as a consequence, wider-angle diffuse scattering of the resulting field of the MS, which is important for RCS reduction.

Для цитирования

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