Экспериментальные и численные исследования диаграмм обратного рассеяния блоков маскирующих цифровых двухбитных метапокрытий

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.

1. Thin 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.2007.910306

2. Chen 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.2015.2414440

3. Chen 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.2016.2583505

4. Jiang 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/pierl16060504

5. Broadband 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/s1759078717001477

6. Петров Б. М., Семенихин А. И. Управляемые импедансные покрытия и структуры // Зарубежная радиоэлектроника. 1994. № 6. С. 9–16.

7. Giovampaola C. D., Engheta N. Digital metamaterials // Nature Materials. 2014. Vol. 13, iss. 12. P. 1115–1121. doi: 10.1038/nmat4082

8. Coding 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.2014.99

9. Broadband 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.2013.2282915

10. Edalati 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.2013.2291236

11. A 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: 10.1155/2016/7595921

12. Zhuang 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: 10.1088/1674-1056/26/5/054101

13. Libi 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/pierm18030303

14. Design 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/ma12183031

15. Taher 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.2015.7413385

16. Ultrawideband 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.2019.2911185

17. Cylindrically 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.2018.2789906

18. Reduction 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.2019.8918812

19. Broadband 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.2018.8597701

20. Block 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/rmc50626.2020.9312245