МЕТАПОВЕРХНОСТИ С ОРБИТАЛЬНЫМ УГЛОВЫМ МОМЕНТОМ НА ОСНОВЕ ГЕКСАГОНАЛЬНЫХ ЯЧЕЕК ДЛЯ ШИРОКОПОЛОСНОГО СНИЖЕНИЯ РАССЕЯНИЯ
DOI:
https://doi.org/10.18522/2311-3103-2026-1-%25pКлючевые слова:
Метаповерхность Панчаратнама-Бэрри, гексагональная единичная ячейка, вихревая волна, орбитальный угловой момент, снижение рассеянияАннотация
Статья посвящена актуальной проблеме – исследованию возможностей фазового гашения рассеянных электромагнитных волн с помощью тонких непоглощающих метаповерхностей Панчаратнама-Берри (ПБ) с генерацией вихревых волн с орбитальным угловым моментом (ОУМ) и спиралевидным фазовым фронтом. Целью работы является проектирование таких метаповерхностей (МП) на основе единичных ячеек гексагональной формы и традиционной квадратной формы и сравнение их характеристик рассеяния и возможностей широкополосного фазового гашения рассеяния. Метаповерхности с бездисперсной ПБ-фазой для волн круговой поляризации (КП-волн) состоят из ячеек, в которых углы поворота мета-частиц изменяются по заданному закону. Гексагональная ячейка (типа пчелиная сота) имеет шесть осей симметрии (вместо четырех у квадратной ячейки), что должно обеспечивать меньшее влияние разных углов поворота соседних мета-частиц МП на свойства коэффициентов отражения ячеек. В статье предложена мета-частица в виде перфорированного полоска в гексагональной ячейке, которая эффективно отражает ко-поляризованные КП-волны в полосе от 8,5 до 19,7 ГГц независимо от угла поворота мета-частицы. Спроектированы четыре модели МП из таких ячеек с генерацией ОУМ разного порядка. Симуляция рассеяния КП-волн методом конечных элементов подтвердила, что модели с гексагональными ячейками эффективнее снижают поле обратного рассеяния (свыше 10 дБ) по сравнению с квадратными ячейками (лишь на 8 дБ) в сверхширокой полосе частот от 8,5 до 20,8 ГГц. Обратное рассеяние снижается за счет генерации воронкообразных вихревых волн с модами ОУМ минус первого или плюс третьего порядков и фазовой сингулярности поля на оси вихрей. Полученные результаты могут быть полезны при выборе формы единичных ячеек метаповерхностей, предназначенных для широкополосного гашения рассеяния
Библиографические ссылки
1. Dai H., Zhao Y., Yu C. A multi-elements chessboard random coded metasurface structure for ultra-wideband radar cross section reduction, IEEE Access, 2020, Vol. 8, pp. 56462-56468. Available at: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2977630.
2. Al-Nuaimi M.K.T., Hong W., He Y. Design of diffusive modified chessboard metasurface, IEEE Anten-nas and Wireless Propagation Letters, 2019, Vol. 18, No. 8, pp. 1621-1625. Available at: https://doi.org/10.1109/LAWP.2019.2925378.
3. Klimov A.V., Semenikhin A.I. Modeli shirokopolosnykh otrazhatel'nykh polyarizatorov s ispol'zovaniem metamaterialov [Models of broadband reflective polarizers using metamaterials], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2013, No. 11 (148), pp. 151-156.
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,
pp. 1-3. Available at: https://doi.org/10.1109/ICMMT.2018.8563649.
5. Dong G. et al. Wideband polarization-independent anomalous reflection mediated by metasurface, 2016 11th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory (ISAPE). IEEE, 2016, pp. 753-755. Available at: https://doi.org/10.1109/ISAPE.2016.7834068.
6. Semenikhin A.I., Semenikhina D.V. Wideband phase gradient metasurfaces with anomalous diffuse scat-tering to reduce RCS for linear and circular polarizations, 2021 Radiation and Scattering of Electromag-netic Waves (RSEMW). IEEE, 2021, pp. 261-264. Available at: https://doi.org/10.1109/ RSEMW52378.2021.9494040.
7. Chen K. et al. Geometric phase coded metasurface: from polarization dependent directive electromagnetic wave scattering to diffusion-like scattering, Scientific reports, 2016, Vol. 6, No. 1, pp. 35968. Available at: https://doi.org/10.1038/srep35968.
8. Semenikhin A.I., Klimov A.V., Savitskiy A.N. Anizotropnaya impedansnaya tsilindricheskaya meta-poverkhnost' dlya samoadaptivnogo gasheniya rasseyannykh voln lyubykh polyarizatsiy [Anisotropic impedance cylindrical meta-surface for self-adaptive suppression of scattered waves of any polariza-tions], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2023, No. 6,
pp. 258-267. Available at: https://doi.org/10.18522/2311-3103-2023-6-258-267.
9. Chen H.T., Taylor A.J., Yu N. A review of metasurfaces: physics and applications, Reports on progress in physics, 2016, Vol. 79, No. 7, pp. 076401. Available at: https://iopscience.iop.org/article/ 10.1088/0034-4885/79/7/07640.
10. Tian Y. et al. Manipulation of the arbitrary scattering angle based on all-dielectric transmissive Pancha-ratnam Berry phase coding metasurfaces in the visible range, Optics Express, 2020, Vol. 28, No. 21, pp. 32107-32123. – https://doi.org/10.1364/OE.409509.
11. Wu X. et al. Ultra-broadband Pancharatnam-Berry phase metasurface for arbitrary rotation of linear po-larization and beam splitter, Optics express, 2022, Vol. 30, No. 9, pp. 15158-15171. Available at: https://doi.org/10.1364/OE.456393.
12. 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,
pp. 1-3. Available at: https://doi.org/10.1109/ICMMT55580.2022.10023076.
13. Liu Q. et al. RCS reduction metasurface based on orbital angular momentum, Results in Physics, 2023, Vol. 53, pp. 107008. Available at: https://doi.org/10.1016/j.rinp.2023.107008.
14. Semenikhin A.I. et al. Wide-Angle Broadband Cancellation of Scattering from Metasurfaces with OAM and Combined Phase Profiles, 2024 International Conference on Electromagnetics in Advanced Appli-cations (ICEAA). IEEE, 2024, pp. 077-080. Available at: https://doi.org/10.1109/ ICEAA61917.2024.10701700.
15. Semenikhin A.I., Semenikhina D.V. Metapoverkhnosti Patcharatnama-Berri s generatsiey uglovogo or-bital'nogo momenta i kombinirovannym fazovym kodirovaniem dlya shirokopolosnogo shirokou-gol'nogo snizheniya EPR [Patcharatnam-Berry metasurfaces with angular orbital momentum generation and combined phase encoding for broadband wide-angle RCS reduction], Zhurnal radioelektroniki [Journal of Radio Electronics], 2024, No. 5. Available at: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.5.9.
16. 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, pp. 019-023. Available at: https://doi.org/ 10.1109/ICEAA57318.2023.10297857.
17. Yu H., Su J., Li Z. High-gain lens antenna using transmissive phase gradient metasurface, 2018 IEEE 4th International Conference on Computer and Communications (ICCC). IEEE, 2018, pp. 1032-1036. Available at: https://doi.org/10.1109/CompComm.2018.8780901.
18. Sun G. C. et al. Exciting Extended Bound States in the Continuum in Symmetry-Broken Scalable All Dielectric THz Metasurface, 2023 Cross Strait Radio Science and Wireless Technology Conference (CSRSWTC). IEEE, 2023, pp. 1-2. Available at: https://doi.org/10.1109/CSRSWTC60855.2023.10426942.
19. Yang Y., Zhang W. Low Sidelobe Level Transmitarray Antenna Using Hexagonal Unit Cell, 2023 Inter-national Applied Computational Electromagnetics Society Symposium (ACES-China). IEEE, 2023, pp. 1-3. Available at: https://doi.org/10.23919/ACES-China60289.2023.10250043.
20. Zou Q. et al. An Orthogonal Circular Polarization Converting Transmitarray Using Hexagonal Ar-rangement, 2024 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). IEEE, 2024, Vol. 1, pp. 1-3. Available at: https://doi.org/10.1109/ICMMT61774.2024.10671830.
21. Zhang W. et al. Broadband metasurface antenna using hexagonal loop-shaped unit cells, IEEE access, 2020, Vol. 8, pp. 223797-223805. Available at: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3043656.
22. Du J. et al. Optical vortex array: generation and applications, Chinese Optics Letters, 2024, Vol. 22, No. 2, pp. 020011. Available at: https://opg.optica.org/col/abstract.cfm?URI=col-22-2-020011.
23. Pancharatnam S. Generalized theory of interference and its applications, Proceedings of the Indian Academy of Sciences-section A. New Delhi: Springer India, 1956, Vol. 44, No. 6, pp. 398-417. Availa-ble at: https://link.springer.com/article/10.1007/BF03046095.
24. Berry M.V. Quantal phase factors accompanying adiabatic changes, Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences, 1984, Vol. 392, No. 1802, pp. 45-57. Available at: https://royalsocietypublishing.org/doi/abs/10.1098/rspa.1984.0023.
