2-bit Patcharatnam-Berry metasurfaces with orbital angular momentum generation, interference and cancellation for broadband RCS reduction

Abstract

The phase mechanism of a broadband wide-angle radar cross-section (RCS) reduction is examined, based on the use of non-absorbing Patcharatnam-Berry (PB) metasurfaces (MSs) with the generation of orbital angular momentum (OAM) and a combination of different phase profiles. MS unit cells contain a thin shielded single-layer substrate and meta-particles in the form of perforated rectangular patches with a coded rotation angle. The purpose of the work is to compare the scattering characteristics and scattered field cancelation efficiency for structural elements (modules) of a MS, consisting of the same number of meta-particles, but having different PB-phase profiles. A profile with an azimuthal gradient, which forms broadband scattering of vortex waves with OAM, profiles with radial and linear gradients and anomalous scattering, parabolic profiles with wide-angle scattering, and various combined phase profiles are analyzed. The purpose of the work is comparing the scattering characteristics. The MS modules scattering characteristics are studied using the HFSS (finite element method) for co-polarization and cross-polarization in the case of irradiation with a normally incident plane circular polarized wave. The simulation showed that the scattering diagrams of the co-polarized MS field in these cases have a funnel-shaped vortex character with an intense OAM minus the first order (the order of the OAM remains the same as for an MS with an azimuthal phase gradient). OAM generation significantly suppresses backscattering by co-polarization. The far-field phase in the vortex region depends not only on the azimuthal, but also on the meridional observation angles. The combination of OAM and parabolic profile increases the diffusion of broadband scattering, realizes a wider-angle scattering of the resulting field with a vortex opening angle of about 100° (at an average frequency of 14 GHz), which is important for RCS reduction.

• metasurface
• Pancharatnam-Barry phase
• phase-gradient metasurfaces
• anomalous scattering
• Vortex scattering
• orbital angular momentum
• RCS reduction

Аннотация (на русском)

Метаповерхности Патчаратнама-Берри с генерацией углового орбитального момента и комбинированным фазовым кодированием для широкополосного широкоугольного снижения ЭПР

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.

For citation

References

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