radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2021-24-4-57-67radioelectronics-542Research ArticleРАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯRADAR AND NAVIGATIONЭкспериментальные и численные исследования диаграмм обратного рассеяния блоков маскирующих цифровых двухбитных метапокрытийExperimental and Numerical Investigations of Backscatter Patterns of the Blocks of Masking Digital Two-Bit Meta-covershttps://orcid.org/0000-0002-0601-7263СеменихинА. И.SemenikhinA. I.

Семенихин Андрей Илларионович – кандидат технических наук (1984), доцент (1987) кафедры антенн и радиопередающих устройств. Почетный работник высшего профессионального образования РФ (2006).

Некрасовский пер., д. 44, Таганрог, Ростовская область, 347922

Andrey I. Semenikhin, Cand. Sci. (Eng.) (1984), docent (1987) of the Department of Antennas and Radio Transmitting Devices of Institute of Radio Engineering Systems and Control of Southern Federal University (IRESC SFU). Honorary Worker of Higher Professional Education of the Russian Federation (2006).

44 Nekrasovsky Ln., Taganrog, Rostov Region 347922 

anilsem@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1899-5961СеменихинаД. В.SemenikhinaD. V.

Семенихина Диана Викторовна – доктор технических наук (2000), доцент (1993), профессор кафедры антенн и радиопередающих устройств.

Некрасовский пер., д. 44, Таганрог, Ростовская область, 347922

Diana V. Semenikhina, Dr. Sci. (Eng.) (2000), Professor (1993) of the Department of Antennas and Radio Transmitting Devices.

44 Nekrasovsky Ln., Taganrog, Rostov Region 347922 

d_semenihina@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8448-5508ЮхановЮ. В.YukhanovYu. V.

Юханов Юрий Владимирович – доктор технических наук (1997), профессор (2000), заведующий кафедрой антенн и радиопередающих устройств. Почетный работник высшего профессионального образования РФ (2007).

Некрасовский пер., д. 44, Таганрог, Ростовская область, 347922

Yury V. Yukhanov, Dr. Sci. (Eng.) (1997), Professor (2000), the Head of the Department of Antennas and Radio Transmitting Devices. Honorary Worker of Higher Professional Education of the Russian Federation (2007).

44 Nekrasovsky Ln., Taganrog, Rostov Region 347922 

yu_yukhanov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3170-2617БлаговисныйП. В.BlagovisnyyP. V.

Благовисный Павел Вадимович – дипломированный инженер-механик (2010), аспирант кафедры антенн и радиопередающих устройств, инженер центра фотоники и двумерных материалов

Институтский пер., д. 9, Долгопрудный, Московская область, 141701

Pavel V. Blagovisnyy, mechanical engineer (2010), post-graduate student of the Department of Antennas and Radio Transmitting Devices, engineer of the Center for Photonics and 2D Materials of Moscow Institute of Physics and Technology.

9 Institutskiy Ln., Dolgoprudny, Moscow Region 141701 

pavelblagvisnyy@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8585-4256ИльинИ. В.IlyinI. V.

Ильин Игорь Васильевич – младший научный сотрудник Центра коллективного пользования "Прикладная электродинамика и антенные измерения" ЮФУ.

Некрасовский пер., д. 44, Таганрог, Ростовская область, 347922

Igor V. Ilyin, junior researcher of the Share Scientific Center "Applied Electrodynamics and Antenna Measurements".

44 Nekrasovsky Ln., Taganrog, Rostov Region 347922 

ivi.igor@gmail.comИнститут радиотехнических систем и управления Южного федерального университетаРоссияInstitute of radio engineering systems and control of Southern Federal UniversityRussian FederationИнститут радиотехнических систем и управления Южного федерального университета; Центр фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического институтаРоссияInstitute of radio engineering systems and control of Southern Federal University; Center for Photonics and 2D Materials of Moscow Institute of Physics and TechnologyRussian Federation2021280920212445767Copyright © Семенихин А.И., Семенихина Д.В., Юханов Ю.В., Благовисный П.В., Ильин И.В., 20212021Семенихин А.И., Семенихина Д.В., Юханов Ю.В., Благовисный П.В., Ильин И.В.Semenikhin A.I., Semenikhina D.V., Yukhanov Y.V., Blagovisnyy P.V., Ilyin I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/542

Введение. Диаграммы рассеяния непоглощающих кодированных шахматно-подобных метапокрытий (МП) для снижения эффективной площади рассеяния (ЭПР) металлических поверхностей объектов неизбежно содержат боковые дифракционные лепестки. В связи с этим актуальна разработка МП с низким уровнем дифракционных лепестков. С этой целью предложено использовать шахматно-подобные МП в виде набора нескольких основных плоских блоков с одинаковыми размерами. В статье рассмотрены 2 таких основных блока МП с разными матрицами кодирования. Ячейки метаповерхности содержат связанные эллиптические кольцевые резонаторы и отличаются двухбитным кодированием угла наклона оси анизотропии. Матрицы кодирования блоков МП построены по блочному принципу.Цель работы. Экспериментально и численно исследовать диаграммы обратного рассеяния (ДОР) на согласованной (ко-) и ортогональной (кросс-) поляризациях двух разработанных плоских блоков двухбитных цифровых непоглощающих анизотропных МП для различных плоскостей и поляризаций облучения.Материалы и методы. Полноволновое моделирование блоков МП выполнено в программе HFSS методом конечных элементов. Измерения ДОР изготовленных макетов МП проведены на автоматизированном информационно-вычислительном комплексе АИВК-ТМСА-1.0-40.0-ДБ3/TD,FD в безэховой камере ЦКП "Прикладная электродинамика и антенные измерения" Южного федерального университета.Результаты. Снижение моностатических ЭПР двух блоков при нормальном облучении примерно одинаково и составляет не менее 12 дБ в полосе от 9.8 до 21 ГГц. Отмечено хорошее совпадение результатов полноволнового моделирования и измерения ДОР блоков разработанных метапокрытий в области центральных лепестков для различных плоскостей и поляризаций облучения. В главных плоскостях блоки гасят центральные лепестки ДОР на 10…25 дБ; в секторе углов около ±40° обратная ЭПР блоков ниже, чем у эталона. В диагональных плоскостях наблюдается гашение ЭПР на 13…15 дБ и расширение центрального лепестка ДОР на кополяризациях, а также раздвоение этого лепестка на кроссполяризациях в секторе углов ±9°. Вне этого сектора ЭПР блоков соизмерима с ЭПР эталона.Заключение. Разработанные блоки двухбитных цифровых непоглощающих анизотропных МП могут применяться для широкополосного гашения ЭПР металлических поверхностей.

Introduction. The scattering patterns of non-absorbing coded checkerboard-like meta-coatings (MCs) applied for reducing the radar cross section (RCS) of metal surfaces inevitably contain side diffraction lobes. Therefore, the development of MCs with a low level of diffraction lobes is relevant. For this purpose, it is proposed to use checkerboard-like MCs in the form of a set of several basic flat blocks with the same dimensions. The paper discusses two such basic MC blocks with different coding matrices. The cells of the metasurface contain two coupled elliptical ring resonators and are distinguished by a 2-bit coding of the tilt angle of the anisotropy axis. Coding matrices of the MC blocks are built according to the block principle.Aim. To investigate experimentally and numerically backscatter patterns (BSP) for consonant (co-) and orthogonal (cross-) polarizations of the two developed flat blocks of the 2-bit digital nonabsorbing anisotropic MCs for different planes and polarizations of irradiation.Materials and methods. Full-wave simulation of the MC blocks was carried out using the HFSS software by the finite element method. BSP measurements of the fabricated MC layouts were performed in an anechoic chamber of the Center for Collective Usage “Applied Electrodynamics and Antenna Measurements” of the Southern Federal University using an automated information and computing complex.Results. The RCS reduction for the two blocks under normal irradiation is approximately the same and not less than 12 dB over the 9.8…21 GHz band. A good matching between the simulation and measurement results of backscattering patterns of the blocks in the region of the central lobes for various planes and polarizations of the irradiation is noted. In the principal planes, the blocks cancel the central lobes of the BSP by 10…25 dB; in the sector of angles of around ±40°, the backward RCS of the blocks is lower than that of the reference. In the diagonal planes, there is a cancellation of the RCS by 13…15 dB and an expansion of the central lobe of the BSP for copolarizations, as well as a bifurcation of this lobe for crosspolarizations in the sector of angles ±9°; outside of this sector the RCSs of the blocks are commensurate with the RCS of the reference.Conclusion. The developed blocks of the 2-bit digital nonabsorbing anisotropic MCs can be used for broadband cancellation of the RCS of metal surfaces.

метапокрытиецифровая метаповерхностьдиаграмма обратного рассеянияснижение ЭПРтвист-эффектматрица кодированияmeta-coverdigital metasurfacebackscatter patternRCS reductiontwist-effectcoding matrixРабота выполнена в ЦКП "Прикладная электродинамика и антенные измерения" Южного федерального университета по гранту Российского научного фонда. Проект № 16-19-10537-П.The work was performed at the Сenter for Collective Usage "Applied Electrodynamics and Antenna Measurements" of the Southern Federal University, Russia, and was financially supported by the Russian Science Foundation, Project no. 16-19-10537-P.ReferencesThin AMC Structure for Radar Cross-Section Reduction / M. Paquay, J.-C. Iriarte, I.Ederra, R. Gonzalo, P. de Maagt // IEEE Trans. on Ant. and Prop. 2007. Vol. 55, iss. 12. P. 3630-3638. doi: 10.1109/tap.2007.910306Paquay M., Iriarte J.-C., Ederra I., Gonzalo R., de Maagt P. Thin AMC Structure for Radar Cross-Section Reduction. IEEE Trans. on Antenn. and Propag. 2007, vol. 55, iss. 12, pp. 3630-3638. doi: 10.1109/tap.2007.910306Chen W., Balanis C. A., Birtcher C. R. Checkerboard EBG Surfaces for Wideband Radar Cross Section Reduction // IEEE Trans. on Ant. and Prop. 2015. Vol. 63, iss. 6. P. 2636–2645. doi: 10.1109/tap.2015.2414440Chen W., Balanis C. A., Birtcher C. R. Checkerboard EBG surfaces for wideband radar cross section reduction. IEEE Trans. on Antenn. and Propag. 2015, vol. 63, iss. 6, pp. 2636–2645. doi: 10.1109/tap.2015.2414440Chen W., Balanis C. A., Birtcher C. R. Dual WideBand Checkerboard Surfaces for Radar Cross Section Reduction // IEEE Trans. on Ant. and Prop. 2016. Vol. 64, iss. 9. P. 4133–4138. doi: 10.1109/tap.2016.2583505Chen W., Balanis C. A., Birtcher C. R. Dual wideband checkerboard surfaces for radar cross section reduction. IEEE Trans. on Antenn. and Propag. 2016, vol. 64, iss. 9, pp. 4133–4138. doi: 10.1109/tap.2016.2583505Jiang W., Xue Y., Gong S.-X. Polarization Conversion Metasurface for Broadband Radar Cross Section Reduction // Progress In Electromagnetics Research Lett. 2016. Vol. 62. P. 9–15. doi: 10.2528/pierl16060504Jiang W., Xue Y., Gong S.-X. Polarization conversion metasurface for broadband radar cross section reduction. Progress In Electromagnetics Research Lett. 2016, vol. 62, pp. 9–15. doi: 10.2528/pierl16060504Broadband Radar Cross-Section Reduction using Polarization Conversion Metasurface / Q. Zheng, C. Guo, H. Li, J. Ding // Intern. J. of Microwave and Wireless Technologies. 2018. Vol. 10, iss. 2. P. 197-206. doi: 10.1017/s1759078717001477Zheng Q., Guo C., Li H., Ding J. Broadband radar cross-section reduction using polarization conversion metasurface. Intern. J. of Microwave and Wireless Technologies. 2018, vol. 10, iss. 2, pp. 197-206. doi: 10.1017/s1759078717001477Петров Б. М., Семенихин А. И. Управляемые импедансные покрытия и структуры // Зарубежная радиоэлектроника. 1994. № 6. С. 9–16.Petrov B. M., Semenikhin A. I. Controlled impedance coatings and structures. Foreign radio-electronics. 1994, no. 6, pp. 9-16. (In Russ.)Giovampaola C. D., Engheta N. Digital metamaterials // Nature Materials. 2014. Vol. 13, iss. 12. P. 1115–1121. doi: 10.1038/nmat4082Giovampaola C. D., Engheta N. Digital metamaterials. Nature Materials. 2014, vol. 13, iss. 12, pp. 1115–1121. doi: 10.1038/nmat4082Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials / T. J. Cui, M. Q. Qi, X. Wan, J. Zhao, Q. Cheng // Light: Science & Applications. 2014. Vol. 3, iss. 10. P. e218–e218. doi: 10.1038/lsa.2014.99Cui T. J., Qi M. Q., Wan X., Zhao J., Cheng Q. Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials. Light: Science & Applications. 2014, vol. 3, iss. 10, pp. e218–e218. doi: 10.1038/lsa.2014.99Broadband Radar Cross-Section Reduction Using AMC Technology / J. C. I. Galarregui, A. T. Pereda, J. L. M. de Falcon, I. Ederra, R. Gonzalo, P. de Maagt // IEEE Trans. on Ant. and Prop. 2013. Vol. 61, iss. 12. P. 6136–6143. doi: 10.1109/tap.2013.2282915Galarregui J. C. I., Pereda A. T., de Falcon J. L. M., Ederra I., Gonzalo R., de Maagt P. Broadband Radar CrossSection Reduction Using AMC Technology. IEEE Trans. on Ant. and Prop. 2013, vol. 61, iss. 12, pp. 6136–6143. doi: 10.1109/tap.2013.2282915Edalati A., Sarabandi K. Wideband, Wide Angle, Polarization Independent RCS Reduction Using Nonabsorptive Miniaturized-Element Frequency Selective Surfaces / IEEE Trans. on Ant. and Prop. 2014. Vol. 62, iss. 2. P. 747–754. doi: 10.1109/tap.2013.2291236Edalati A., Sarabandi K. Wideband, Wide Angle, Polarization Independent RCS Reduction Using Nonabsorptive Miniaturized-Element Frequency Selective Surfaces. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2014, vol. 62, iss. 2, pp. 747–754. doi: 10.1109/tap.2013.2291236A Wideband and Polarization-Independent Metasurface Based on Phase Optimization for Monostatic and Bistatic Radar Cross Section Reduction / J. Su, Y. Lu, Z. Li, R. Zhang, Y. Yang // Intern. J. of Ant. and Prop. 2016. Vol. 2016. Art. ID 7595921. P. 1-9. doi: 10.1155/2016/7595921Su J., Lu Y., Li Z., Zhang R., Yang Y. A Wideband and Polarization-Independent Metasurface Based on Phase Optimization for Monostatic and Bistatic Radar Cross Section Reduction. Intern. J. of Antennas and Propagation. 2016, vol. 2016, pp. 1–9. doi: 10.1155/2016/7595921Zhuang Y.-Q., Wang G.-M., Xu H.-X. Ultra-Wideband RCS Reduction using Novel Configured Chessboard Metasurface // Chinese Physics B. 2017. Vol. 26, iss. 5. Art. ID 054101. 7 p. doi: 10.1088/1674-1056/26/5/054101Zhuang Y.-Q., Wang G.-M., Xu H.-X. Ultra-wideband RCS reduction using novel configured chessboard metasurface. Chinese Physics B. 2017, vol. 26, iss. 5, art. ID 054101, 7 p. doi: 10.1088/1674-1056/26/5/054101Libi Mol V. A. H., Aanandan C. K. Wideband Radar Cross Section Reduction using Artificial Magnetic Conductor Checkerboard Surface // Progress In Electromagnetics Research M. 2018. Vol. 69. P. 171–183. doi: 10.2528/pierm18030303Libi Mol V. A. H., Aanandan C. K. Wideband Radar Cross Section Reduction Using Artificial Magnetic Conductor Checkerboard Surface. Progress In Electromagnetics Research M. 2018, vol. 69, pp. 171–183. doi: 10.2528/pierm18030303Design of a Low Scattering Metasurface for Stealth Applications / T. A. Khan, J. Li, J. Chen, M. U. Raza, A. Zhang // Materials. 2019. Vol. 12, iss. 18. Art. ID 3031. doi: 10.3390/ma12183031Khan T. A., Li J., Chen J., Raza M. U., Zhang A. Design of a Low Scattering Metasurface for Stealth Applications. Materials. 2019, vol. 12, iss. 18, p. 3031. doi: 10.3390/ma12183031Taher Al-Nuaimi M. K., Hong W. Monostatic RCS Reduction at mmWaves // Asia-Pacific Microwave Conf. (APMC), Nanjing, China, 6-9 Dec. 2015. Acc. № 15803186. doi: 10.1109/apmc.2015.7413385Taher Al-Nuaimi M. K., Hong W. Monostatic RCS reduction at mmWaves. Asia-Pacific Microwave Conf. (APMC), Nanjing, China, 6-9 Dec. 2015. doi: 10.1109/apmc.2015.7413385Ultrawideband Monostatic and Bistatic RCS Reductions for Both Copolarization and Cross Polarization Based on Polarization Conversion and Destructive Interference / Y. Lu, J. Su, J. Liu, Q. Guo, H. Yin, Z. Li, J. Song // IEEE Trans. on Ant. and Prop. 2019. Vol. 67, iss. 7. P. 4936–4941. doi: 10.1109/tap.2019.2911185Lu Y., Su J., Liu J., Guo Q., Yin H., Li Z., Song J. Ultrawideband Monostatic and Bistatic RCS Reductions for Both Copolarization and Cross Polarization Based on Polarization Conversion and Destructive Interference. IEEE Trans. on Antenn. and Propag. 2019, vol. 67, iss. 7, pp. 4936–4941. doi: 10.1109/tap.2019.2911185Cylindrically Curved Checkerboard Surfaces for Radar Cross-Section Reduction / W. Chen, C. A. Balanis, C. R. Birtcher, A. Y. Modi // IEEE Ant. and Wireless Prop. Lett. 2018. Vol. 17, iss. 2. P. 343–346. doi: 10.1109/lawp.2018.2789906Chen W., Balanis C. A., Birtcher C. R., Modi A. Y. Cylindrically curved checkerboard surfaces for radar cross-section reduction. IEEE Anten. and Wireless Propag. Lett. 2018, vol. 17, iss. 2, pp. 343–346. doi: 10.1109/lawp.2018.2789906Reduction and Cancellation of the RCS of Cylindrical Surfaces using Conformal Digital 1-bit Meta-covers/ A. I. Semenikhin, D. V. Semenikhina, Yu. V. Yukhanov, P. V. Blagovisnyy // Intern. Symp. ELMAR. Zadar, Croatia, 23-25 Sept. 2019. P. 167-170. doi: 10.1109/elmar.2019.8918812Semenikhin A. I., Semenikhina D. V., Yukhanov Yu. V., Blagovisnyy P. V. Reduction and Cancellation of the RCS of Cylindrical Surfaces Using Conformal Digital 1-bit Meta-covers. Intern. Symp. ELMAR, Zadar, Croatia, 23-25 Sept. 2019, pp. 167-170. doi: 10.1109/elmar.2019.8918812Broadband RCS Reduction using Digital Impedance Metasurfaces with 2-bit Coding of Axes of Anisotropy and Eigen Reactances / A. I. Semenikhin, D. V. Semenikhina, Yu. V. Yukhanov, P. V. Blagovisnyy // Progress in Electromagnetics Research Symp. (PIERS). Toyama, Japan, 1-4 Aug. 2018. doi: 10.23919/piers.2018.8597701Semenikhin A. I., Semenikhina D. V., Yukhanov Yu. V., Blagovisnyy P. V. Broadband RCS Reduction Using Digital Impedance Metasurfaces With 2-bit Coding of Axes of Anisotropy and Eigen Reactances. Progress in Electromagnetics Research Symp. (PIERS), Toyama, Japan, 1-4 Aug. 2018. doi: 10.23919/piers.2018.8597701Block Principle of Constructing and Estimating of the RCS Reduction of Nonabsorbing Broadband 2 Bit Anisotropic Digital Meta-Coatings / A. I. Semenikhin, D. V. Semenikhina, Yu. V. Yukhanov, P. V. Blagovisnyy // 7th All-Russian Microwave Conf. (RMC), Moscow, 25-27 Nov. 2020. P. 132-134. doi: 10.1109/rmc50626.2020.9312245Semenikhin A. I., Semenikhina D. V., Yukhanov Yu. V., Blagovisnyy P. V. Block Principle of Constructing and Estimating of the RCS Reduction of Nonabsorbing Broadband 2 Bit Anisotropic Digital Meta-Coatings. 7th All-Russian Microwave Conf. (RMC), Moscow, Russia, 25-27 Nov. 2020, pp. 132-134. doi: 10.1109/rmc50626.2020.9312245

The authors declare that there are no conflicts of interest present.