Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Для цитирования:

Мазинов А. С., Падалинский М. М., Болдырев Н. А., Старосек А. В. Моделирование рассеивающих свойств блочных метаповерхностей в диапазоне 16–25 ГГц и сравнение с экспериментальными результатами // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023. Т. 23, вып. 2. С. 102-111. DOI: 10.18500/1817-3020-2023-23-2-102-111, EDN: SXWPVG

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.06.2023
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 137)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
537.874
EDN: 
SXWPVG

Моделирование рассеивающих свойств блочных метаповерхностей в диапазоне 16–25 ГГц и сравнение с экспериментальными результатами

Авторы: 
Мазинов Алим Сеит-Аметович, Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского, Физико-технический институт
Падалинский Михаил Михайлович, Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского, Физико-технический институт
Болдырев Николай Алексеевич, Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского, Физико-технический институт
Старосек Александр Викторович, Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского, Физико-технический институт
Аннотация: 

Метаповерхности – это поверхности, состоящие из элементарных резонаторов, переизлучающих падающие волны СВЧ-диапазона. Изменяя параметры и размещение этих резонаторов, можно настраивать электрические свойства метаповерхностей в целом. Это позволяет получить ряд практически важных характеристик, труднодостижимых при использовании обычных ослабляющих покрытий, и потому перспективных в задачах экранирования электронных устройств и ослабления отражённого сигнала. Поскольку возможных конфигураций резонаторов много, для эффективного сравнительного анализа необходимы численные эксперименты. Объектом данного исследования являются метаповерхности, состоящие из полосковых прямоугольных резонаторов, расположенных на диэлектрической подложке в шахматном порядке в двух конфигурациях. Задачей исследования было получение диаграмм рассеяния в численных экспериментах и сравнение их с реальными структурами.

В работе проводится компьютерное моделирование взаимодействия метаповерхностей с СВЧ полем, с последующим сравнением с результатами эксперимента с реальными структурами. Для моделирования использовался пакет CST Studio с использованием time domain solver. Расчёты проводились для нескольких частот в диапазоне 16–25 ГГц.

Полученные результаты показывают, что величина нормальной составляющей отраженной электромагнитной волны падает при приближении частоты падающего излучения к резонансной. Также наблюдаются боковые лепестки, величина которых зависит от частоты. Диаграммы рассеяния, полученные на реальных образцах, показывают те же характерные особенности, а имеющиеся различия объясняются физическими особенностями приемной антенны, а также наличием дифракционных явлений.

Обе рассмотренные структуры продемонстрировали высокие показатели рассеяния падающей волны, что наглядно демонстрирует перераспределение центрального лепестка на диаграммах. Сравнение показало, что промоделированные метаструктуры имеют схожие тенденции с экспериментальными диаграммами.

Благодарности: 
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-22-20126) и региона Крым.
Список источников: 
  1. Chen H.-T., Padilla W. J., Zide J. M. O., Gossard A. C., Taylor A. J., Averitt R. D. Active terahertz metamaterial devices // Nature. 2006. Vol. 444, № 7119. P. 597–600. https://doi.org/10.1038/nature05343
  2. Della Giovampaola C., Engheta N. Digital metamaterials // Nature Materials. 2014. Vol. 13, № 12. P. 1115–1121. https://doi.org/10.1038/nmat4082
  3. Zaki B., Firouzeh Z.-H., Zeidaabadi-Nezhad A., Maddahali M. Wideband RCS reduction using three different implementations of AMC structures // IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2019. Vol. 13, № 5. P. 533–540. https://doi.org/10.1049/iet-map.2018.5024
  4. Yan X., Liang L., Yang J., Liu W., Ding X., Xu D., Zhang Y., Cui T., Yao J. Broadband, wide-angle, low-scattering terahertz wave by a flexible 2-bit coding metasurface // Optics Express. 2015. Vol. 23, № 22. P. 29128–29137. https://doi.org/10.1364/OE.23.029128
  5. Khan T. A., Li J., Chen J., Raza M. U., Zhang A. Design of a Low Scattering Metasurface for Stealth Applications // Materials. 2019. Vol. 12, № 18. Article number 3031. https://doi.org/10.3390/ma12183031
  6. Shao L., Premaratne M., Zhu W. Dual-Functional Coding Metasurfaces Made of Anisotropic All-Dielectric Resonators // IEEE Access. 2019. Vol. 7. P. 45716–45722. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2908830
  7. Zhao Y., Cao X., Gao J., Liu X., Li S. Jigsaw puzzle metasurface for multiple functions: polarization conversion, anomalous reflection and diffusion // Optics Express. 2016. Vol. 24, № 10. P. 11208–11217. https://doi.org/10.1364/OE.24.011208
  8. Zhuang Y., Wang G., Zhang Q., Zhou C. Low-Scattering Tri-Band Metasurface Using Combination of Diffusion, Absorption and Cancellation // IEEE Access. 2018. Vol. 6. P. 17306–17312. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2810262
  9. Cui T. J., Qi M. Q., Wan X., Zhao J., Cheng Q. Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials // Light: Science & Applications. 2014. Vol. 3, № 10. P. e218. https://doi.org/10.1038/lsa.2014.99
  10. Семенихин А. И., Семенихина Д. В., Юханов Ю. В., Благовисный П. В. блочный принцип построения и оценки снижения эпр непоглощающих широкополосных 2-битных анизотропных цифровых метапокрытий // Журнал радиоэлектроники. 2020, № 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.12.4
  11. Курушин А. А., Пластиков А. Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. М. : Издательство МЭИ, 2011. 155 с.
  12. Благовисный П. В., Семенихин А. И. Полноволновые и импедансные модели сверхширокополосных тонких твистметаполяризаторов для радиомаскирующих покрытий // Журнал радиоэлектроники. 2020. № 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.8.12
  13. Банков С. Е., Курушин А. А. Электродинамика для пользователей САПР СВЧ. М. : Солон-Пресс, 2017. 316 с.
  14. Курушин А. А. Школа проектирования СВЧ устройств в CST STUDIO SUITE. М. : One-Book, 2014. 433 с.
  15. Kane Yee. Numerical solution of initial boundary value problems involving maxwell’s equations in isotropic media // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1966. Vol. 14, № 3. P. 302–307. https://doi.org/10.1109/TAP.1966.1138693
  16. Krietenstein B., Schuhmann R., Weiland T., Thoma P. The Perfect Boundary Approximation Technique Facing the Big Challenge of High Precision Field Computation // Proceedings of the XIX International Linear Accelerator Conference (LINAC 98). Chicago, 1998. P. 860–862.
  17. Weiland T. A discretization model for the solution of Maxwell’s equations for six-component fields // Archiv Elektronik und Uebertragungstechnik. 1977. Bd. 31. S. 116–120.
  18. Горбачев А. П., Ермаков Е. А. Проектирование печатных фазированных антенных решеток в САПР «CST Microwave Studio». Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2008. 88 с.
  19. Demming-Janssen F., Krüger H., Thoma P., Löcker C., Bertuch T., Eibert T. Time domain simulation of conformal antennas using the finite integration technique (FIT) with PBA geometry discretisation and local time step adaptive sub-gridding // 3rd European Workshop on Conformal Antennas. Bonn, 2003. P. 45–48.
  20. Мазинов А. С., Фитаев И. Ш., Болдырев Н. А. Влияние пространственной ориентации проводящих элементов составной метаповерхности на их частотные характеристики и диаграммы рассеивания в свч-диапазоне // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2022. Т. 18, № 4. С. 86–90.
Поступила в редакцию: 
10.01.2023
Принята к публикации: 
25.02.2023
Опубликована: 
30.06.2023