ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 2 · ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Широкоугольное гашение рассеяния от метаповерхностей Панчаратнама-Берри с гибридными и комбинированными гибридными фазовыми ОУМ-профилями

А.И. Семенихин1, Д.В. Семенихина1, А.М. Зыкина1

1 Южный Федеральный Университет, Институт радиотехнических систем и управления, Таганрог
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.2.6 УДК 621.371 EDN ZPADQH

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°.

  • метаповерхность
  • фаза Панчаратнам-Бэрри
  • диффузия рассеяния
  • орбитальный угловой момент
  • Снижение ЭПР
Abstract (in English)

Wide-angle scattering cancellation from Pancharatnam-Berry metasurfaces with hybrid and combined hybrid phase OAM-profiles

In this paper, the phase mechanism of broadband wide-angle reduction of the radar cross-section (RCS), based on the use of non-absorbing Pancharatnam-Berry (PB) metasurfaces (MS) with the generation of orbital angular momentum (OAM) and a combination of different phase profiles is studied. Unit cells of the MS contain a thin shielded single-layer substrate and meta-particles in the form of perforated rectangular patches with a coded rotation angle. The aim of the work is to compare the scattering characteristics and the efficiency of scattered field cancellation of structural elements (modules) of the MS, consisting of the same number of meta-particles, but having different PB phase profiles. The scattering characteristics of the MS modules are studied using HFSS (finite element method) on a co- and cross-polarization in the case of irradiation with a normally incident left circular polarized plane wave. The simulation showed that the scattering patterns of the co-polarized field of the MS in all these cases have a funnel-shaped vortex character with a helical spiral phase front and OAM. The generation of OAM significantly cancelles the backscattering of the co-polarized field. The combination of OAM profiles and parabolic profiles increases the diffusion of broadband scattering, implements a wider-angle scattering of the resulting field, which is important for RCS reduction. Therefore, hybrid Pancharatnam-Berry MSs and combined hybrid MSs were designed and their scattering characteristics were studied. Hybrid MSs consist of two subblocks of different shapes, each of which is a fragment of antiphase OAM modules of a square shape. Combined hybrid MSs are constructed by superimposing a modified parabolic profile on the OAM profiles of the subblocks of the hybrid MSs. The validity of the holographic approach underlying the design of hybrid MSs is demonstrated, according to which a fragment (part) of a metasurface preserves the phase properties of the object wave of the entire metasurface. From a comparison of diffusion and wave cancellation by hybrid and combined hybrid metasurfaces it follows that combined hybrid MSs implement a wider-angle diffuse vortex funnel-shaped scattering of a co-polarized field with an angle of intense side lobes of up to 88°, whereas hybrid MFs of the same size have a funnel opening angle of about 55°.

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

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