CC BY
31
DOI 10.36622^Ти.2022.18.4.012 УДК 621.371
ВЛИЯНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ПРОВОДЯЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ СОСТАВНОЙ МЕТАПОВЕРХНОСТИ НА ИХ ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ДИАГРАММЫ РАССЕИВАНИЯ В СВЧ-ДИАПАЗОНЕ
А.С. Мазинов, И.Ш. Фитаев, Н.А. Болдырев Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского, г. Симферополь, Россия
Аннотация: рассмотрены дифракционные характеристики шахматно-подобных метаповерхностей, состоящих из ячеек с различной ориентацией проводящих резонаторов, сформированных из прямоугольных полосковых линий, симметрично расположенных на диэлектрической подложке размером 18х18 мм. Линейные размеры проводящих ме-тачастиц составляли 4,2 мм, расстояние между ними - 1,7 мм, а расстояние между соседними вертикальными рядами -5,15 мм. Для диагональной симметрии размеры медных резонаторов остались неизменными, в то время как расстояние между параллельными рядами в них составляло 4,29 мм. Выбор подобной геометрии обусловлен средней частотой исследуемого диапазона - 20,5 ГГц. Для получения экспериментальных данных был использован метод бистатического измерения зависимости уровня отраженного излучения от угла приёмной антенны. Получены частотные характеристики для элементарных симметрий, а также показана динамика изменения диаграмм рассеивания для различных ори-ентаций разнонаправленных элементов. На выбранных характерных точках, в которых показатель прохождения имел максимальное, среднее и минимальное значения, были обнаружены характерные зависимости величины ослабления основного лепестка отраженной волны от частоты падающего излучения и ориентации проводящих структур метапо-верхности. Сравнением частотных характеристик установлено влияние структуры метаповерхности на её выходную диаграмму и определена симметрия, обеспечивающая максимальное рассеивание падающей электромагнитной волны, относительный коэффициент ослабления по мощности которой составил К = 0,23. Результаты работы могут найти применение при разработке стелс-покрытий и пассивных фазированных антенных решеток
Ключевые слова: метаповерхность, СВЧ, радиопрозрачность, частотные зависимости, коэффициент пропускания
Введение
Метаматериалы — искусственно созданные структуры, демонстрирующие необычные электромагнитные свойства, которые не встречаются в природе, такие как отрицательная диэлектрическая (е) и магнитная проницаемость (ц), что приводит к одному из их главных свойств - отрицательному коэффициенту преломления, который и является основной причиной изменения их диаграмм рассеивания [1-2]. Исследования различного рода метапокрытий обрели популярность в последние годы, их экспериментальным и теоретическим исследованиям посвящено достаточно большое количество работ [3-7]. Подобные структуры предназначаются для снижения эффективной площади рассеивания падающего электромагнитного излучения в различных частотных диапазонах. Интерес к подобным исследованиям вызван необходимостью создания маскирующих покрытий, способных укрывать объект от радиолокационных станций, делая их цель менее видимой при зондировании местности [8]. Конструктивно, подобные структуры представляют
© Мазинов А.С., Фитаев И.Ш., Болдырев Н.А., 2022
собой набор элементарных резонаторов (мета-частиц) одинаковых размеров, расположенных на диэлектрической подложке. В основе работы подобных структур лежит эффект деструктивной интерференции, обусловленный особенностью конструкции, вследствие которой при взаимодействии падающей и отраженной волны наблюдается их взаиморазрушение за счет разности фаз, образованных различными противофазными участками структуры.
Материалы и методы исследования
В качестве материала для получения тестируемых структур использовался стеклотекстолит с двухсторонней медной металлизацией. Формирование топологии проводящей структуры проводилось методом фрезерной обработки на ЧПУ. Элементарная ячейка обладала размерами 18х18 мм и содержала в себе проводящие полосы с размерами, указанными на рис. 1, и толщиной порядка 35 мкм на диэлектрические подложки марки FR4 толщиной 3 мм. Геометрические параметры элементов ячеек выбирались исходя из расчета четвертьволновых размеров расчетной резонансной частоты -20,5 ГГц, что составляло среднее значение в
рабочем диапазоне используемого для исследования оборудования.
Рис. 1. Размеры исследуемых ячеек
Таким образом, было сформировано четыре типа ячеек: перпендикулярно-ориентированные к вектору Е элементы 3х3 (четвертьволновые), а также диагонально-ориентированные 3х2. Расстояние между соседними проводящими слоями сильно меньше длины волны падающего излучения, что позволяет описывать структуру как метаповерхность. Полученные после обработки ячейки складывались на алюминиевую пластину в матрицу размером 4х4 с различной ориентацией расположения проводящих участков. Общая площадь получаемой структуры составляла 51,84 см2.
В качестве объекта исследований в данной конкретной работе были выбраны структуры, имеющие шахматно-подобный принцип построения, в котором ячейки различного типа располагаются в шахматном порядке на металлической пластине. Подобный выбор обусловлен наиболее выраженным ослаблением падающей волны, полученным в ходе исследований. Полученные структуры представлены на рисунке ниже.
a)
b)
с)
Рис. 2. Шахмато-подобные метаструктуры. а) Вертикально и горизонтально направленные; Ь) Вертикально и диагонально вправо направленные; с) Вертикально + диагонально влево направленные
Для экспериментального получения диаграмм рассеивания была собрана установка, состоящая из:
1. Двух рупорных антенн П6-30.
2. Синтезатора частот G7M-40, выступающего в роли генератора.
3. Измерителя мощности PLS-26, выступающего в роли приемника для отраженной и прошедшей волны.
4. Диэлектрической подложки для расположения образцов.
Излучающая рупорная антенна подключена к выводу генератора и расположена на расстоянии 7 см от исследованной структуры, формируя линейно поляризованную падающую электромагнитную волну, вектор Пойтинга которой нормален к плоскости структуры. Принимающая антенна, изначально располагающаяся на таком же расстоянии, фиксировала отраженную от структуры мощность в каждой точке, меняя свое положение по полярному углу в пределах [0 - 180°] с шагом в 5°. Сама структура, находясь на пластине алюминия, располагалась на диэлектрической подложке в пространстве между антеннами.
Для получения частотных характеристик в диапазоне [16 - 25 ГГц], исследуемая структура располагалась между двух рупорных антенн на диэлектрической подложке без алюминиевой пластины. При этом угол между приемной и излучающей антенной составлял 180°. Блок-схема установки представлена на рисунке ниже.
Рис. 3. Блок-схема измерительной установки
1. G7M-40 - синтезатор частот, выступающий в роли генератора;
2. PLS-26 - измеритель мощности, выступающий в качестве приемника прошедшей волны;
3. РС - персональный компьютер;
4. Тх - излучающая рупорная антенна П6-
30;
5. Rx - приемная рупорная антенна П6-30;
6. Sample - исследуемый образец.
а)
б) в)
Рис. 4. Экспериментальные облучаемые структуры:
а) отражающая проводящая пластина;
б) единичная ячейка метаструктуры;
в) сборка метаструктура + отражающая пластина
В качестве параметра, выступающего в роли показателя частотного взаимодействия, был выбран коэффициент прохождения Т, показывающий во сколько раз уменьшается прошедшая мощность при помещении на пути нормально падающей волны относительно принимаемой мощности при отсутствии образца. По значению данного параметра можно предполагать, насколько сильно электромагнитное излучение взаимодействует со структурой на той или иной частоте - чем ниже значение коэффициента, тем большая часть волны, взаимодействуя с поверхностью метаструктуры, отражается от неё.
Т= PПрош/PПад, (1)
где РПрош - мощность, измеренная при установленном образце; РПад - при его отсутствии.
Результаты
Из результатов измерений частотных характеристик шахматных метаструктур видна их ярко выраженная частотная зависимость, выраженная в резком падении коэффициента прохождения в определенной полосе частот - 2022,5 ГГц для структуры, состоящей из вертикальных и горизонтальных элементов, и 20-23,8 ГГц для вертикальных и диагональных элементов. Измерения проводились в диапазоне от 16 до 25 ГГц с шагом в 0,1 ГГц. Полученные результаты представлены на рис. 5.
Рис. 5. Частотные зависимости метаструктур
Исходя из частотных зависимостей, для определения их влияния на выходную диаграмму для каждой из структур было выбрано по три частоты:
-частота с низким коэффициентом прохождения (LOW);
-частота со средним показателем по прохождению (AVERAGE);
-частота с высоким показателем прохождения (HIGH).
После чего для каждой из исследуемых структур на этих частотах были построены диаграммы рассеивания, представленные на рис. 6. Из полученных диаграмм можно увидеть, как в зависимости от частотной характеристики изменяется величина основного лепестка - чем ниже значение коэффициента на частотной характеристике, тем более ослабленным будет основной лепесток относительно пластины. Однако стоит отметить, что значения мощностей получены при различных значениях принимаемой мощности падающей волны вследствие частотных характеристик антенны. Поэтому для лучшего понимания картины ослабления сигнала полученные данные даются в относительных величинах - как отношение принимаемых мощностей метаструктур и пластинки при нулевом градусе. Полученные результаты показаны на рис. 7. Как видно из гистограмм, представленные структуры ослабляют отраженную волну в строго обратном направлении, что говорит нам об ослаблении основного лепестка при использовании подобных метаповерхностей. Ослабление наблюдается на всех частотах, однако можно отметить, что уменьшение основного лепестка напрямую зависит от значения коэффициента прохождения метаструктуры на определенной частоте. Также из полученных диаграмм видно, что подобные структуры имеют способ-
ность к переизлучению падающей мощности в направлениях, отличных от нормальных, что выраженно в формировании боковых лепестков на диаграмме.
Рис. 6. Диаграммы рассеивания шахматных метаструктур
Рис. 7. Относительный коэффициент отражения в зависимости от симметрии
Заключение
По итогам проделанной работы было установлено, что ослабляющие способности, а также форма выходной диаграммы рассмотренных шахматных метаповерхностей, сформированных на основе полосковых резонаторов, напрямую зависят от их частотных характеристик и симметрии распределения элементарных ячеек в общей структуре отражающей поверхности.
Литература
1. Withayachumnankul W., Fumeaux C., Abbott D. Compact electric-LC resonators for metamaterials// Optics Express. 2010. Vol.18. pp. 25912-25921.
2. Лобекин В.Н., Татаренко А.С., Бичурин М.И. Методики измерения параметров метаструктур на основе сплит-кольцевых резонаторов // Вестник НовГУ. Сер. Технические науки. 2020. No5 (121). С.25-28. DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.5(121).25-28.
3. A Wideband and Polarization-Independent Metasur-face Based on Phase Optimization for Monostatic and Bistatic Radar Cross Section Reduction/ Jianxun Su, Yao Lu, Zengrui Li, Rongrong Zhang, Yaoqing (Lamar) Yang// International Journal of Antennas and Propagation. 2016. Vol. 2016. Article ID 7595921. 9 p. DOI: https://doi.org/10.1155/2016/7595921
4. Reduction of Radar Cross Section Based on a Metasurface/ Jie Chen, Qiang Cheng, Jie Zhao, Di Sha Dong, and Tie-Jun Cui// Progress In Electromagnetics Research. 2014. Vol. 146. Р. 71-76. D0I:10.2528/PIER14022606
5. Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials/ M.Q. Qi, X. Wan, J. Zhao, Q. Cheng // T.J. Cui, Science & Applications. 2014. Vol. 3. Iss. 10. P. e218-e218. DOI: 10.1038/lsa.2014.99
6. Экспериментальные и численные исследования диаграмм обратного рассеяния блоков маскирующих цифровых двухбитных метапокрытий/ А.И. Семенихин, Д.В. Семенихина, Ю.В. Юханов, П.В. Благовисный, И.В. Ильин// Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2021. №24(4). С.57-67.
7. Блочный принцип построения и оценки снижения ЭПР непоглощающих широкополосных 2-битных анизотропных цифровых метапокрытий/ А.И. Семенихин, Д.В. Семенихина, Ю.В. Юханов, П.В. Благовисный, И.В. Ильин// Журнал радиоэлектроники [электронный ресурс]. 2020. №12.
8. A study of microwave radiation absorption in ul-trathin conducting films / V.V. Starostenko, V.B. Orlenson, A.S. Mazinov, I.S. Fitaev // Technical Physics. 2020. V.65. No 8. P. 1296-1300.
Поступила 13.05.2022; принята к публикации 19.08.2022 Информация об авторах
Мазинов Алим Сеит-Аметович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиофизики и электроники, Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского (295007, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, пр. Академика Вернадского, 4), e-mail: mazinovas@cfuv.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0834-2390
Фитаев Ибраим Шевкетович - ассистент кафедры радиофизики и электроники, Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского (295007, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, пр. Академика Вернадского, 4), e-mail: fitaev.i@cfuv.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2426-3692
Болдырев Николай Алексеевич - магистр кафедры радиофизики и электроники, Крымский федеральный университет имени В.И Вернадского (295007, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, пр. Академика Вернадского, 4), e-mail: koly-aboldyrev@gmail. com
INFLUENCE OF THE SPATIAL ORIENTATION OF THE CONDUCTING ELEMENTS OF THE COMPOSITE METASURFACE ON THEIR FREQUENCY CHARACTERISTICS AND SCATTERING DIAGRAMS IN THE RF RANGE
A.S. Mazinov, I.Sh. Fitaev, N.A. Boldyrev Crimean Federal University named after V.I. Vernadsky, Simferopol, Russia
Abstract: in this work, we considered the diffraction characteristics of checkerboard-like metasurfaces consisting of cells with different orientations of conducting resonators formed from rectangular strip lines symmetrically placed on a dielectric substrate of 18x18 mm size. The linear sizes of the conducting metaparticles were 4.2 mm, the distance between them was 1.7 mm, and the distance between adj acent vertical rows was 5.15 mm. For the diagonal symmetry, the dimensions of the copper resonators remained unchanged, while the distance between parallel rows in it was 4.29 mm. The choice of such geometry is due to the average frequency of the studied range - 20.5 GHz. To obtain experimental data, we used the method of bistatic measurement of the dependence of the level of reflected radiation on the angle of the receiving antenna. We obtained frequency characteristics for elementary symmetries, and showed the dynamics of changes in scattering diagrams for different orientations of multidirectional elements. At the selected characteristic points, in which the transmittance had a maximum, average and minimum value, we found the characteristic dependences of the magnitude of attenuation of the main lobe of the reflected wave on the frequency of the incident radiation and the orientation of the conducting structures of the metasurface. By comparing the frequency characteristics, we established the influence of the metasurface structure on its output diagram and determined the symmetry that provides the maximum scattering of the incident electromagnetic wave, the relative power attenuation coefficient of which was K = 0.23. The results of the work can find application in the development of stealth coatings and passive phased antenna arrays
Key words: metasurface, microwave, radio transparency, frequency dependence, transmittance factor
References
1. Withayachumnankul W., Fumeaux C., Abbott D. "Compact electric-LC resonators for metamaterials", Optics Express, 2010, vol.18, pp. 25912-25921.
2. Lobekin V.N., Tatarenko A.S., Bichurin M.I. "On the basis of split-ring resonators", Bulletin of Novgorod State University (Vestnik Novgorodskogo gosudarstvennogo universiteta), 2020, no. 5 (121), pp. 25-28. DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.5 (121).25-28.
3. Jianxun Su, Yao Lu, Zengrui Li, Rongrong Zhang, Yaoqing (Lamar) Yang "A wideband and polarization-independent metasurface based on phase optimization for monostatic and bistatic radar cross section reduction," Int. J. of Antennas and Propagation,, 2016, vol. 2016, article ID 7595921, 9 p. DOI: https://doi.org/10.1155/2016/7595921
4. Jie Chen, Qiang Cheng, Jie Zhao, Di Sha Dong, Tie-Jun Cui "Reduction of radar cross section based on a metasurface," Progress in Electromagnetics Research, 2014, vol. 146, pp. 71-76. DOI:10.2528/PIER14022606
5. Cui T.J., Qi M.Q., Wan X., Zhao J., Cheng Q. "Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials", Science & Applications, 2014, vol. 3, iss. 10, pp. e218-e218. DOI: 10.1038/lsa.2014.99
6. Semenikhin A.I., Semenikhina D.V., Yukhanov Yu.V., Blagovisnyy P.V., Il'in I.V. "Experimental and numerical studies of backscatter diagrams of blocks masking digital two-bit metapoices", Radioelectronics (Radioelektronika), 2021, no. 24(4), pp. 57-67.
7. Semenikhin A.I., Semenikhina D.V., Yukhanov Y.V., Blagovisnyy P.V. "Block principle of construction and estimation of EPR reduction of non-absorbing broadband 2-bit anisotropic digital meta-covers", Journal of Radioelectronics, 2020, no. 12.
8. Starostenko V.V., Orlenson V.B., Mazinov A.S., Fitaev I.S. "A study of microwave radiation absorption in ultrathin conducting films", Technical Physics, 2020, vol. 65, no. 8, pp. 1296-1300
Submitted 13.05.2022; revised 19.08.2022 Information about the authors
Alim S.-A. Mazinov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Crimean Federal University named after V.I. Vernadsky (4 Akad-emika Vernadskogo str., Simferopol 295007, Republic of Crimea, Russia), e-mail: mazinovas@cfuv.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0834-2390
Ibraim Sh. Fitaev, Assistant, Crimean Federal University named after V.I. Vernadsky (4 Akademika Vernadskogo str., Simferopol 295007, Republic of Crimea, Russia), e-mail: fitaev.i@cfuv.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2426-3692 Nikolay A. Boldyrev, MA, Crimean Federal University named after V.I. Vernadsky (4 Akademika Vernadskogo str., Simferopol 295007, Republic of Crimea, Russia), e-mail: kolyaboldyrev@gmail.com
