А. И. Семенихин1, А. Н. Савицкий2
1, 2 Институт радиотехнических систем и управления, Южный федеральный университет (г. Таганрог, Россия)

2 savicky@sfedu.ru

Постановка проблемы. Несмотря на широкое применение плоских метаповерхностей (МП) с вращающимися метачастицами для управления электромагнитными волнами, включая генерацию вихревых волн и фазовое гашение рассеяния, использование конформных метаповерхностей Панчаратнама-Берри (ПБ) слабо изучено. Известно, что кривизна конформных МП влияет на угло-частотные характеристики ПБ-фазы рассеянного поля, что может приводить к изменению характеристик рассеяния волн круговых поляризаций (КП-волн) по сравнению с плоскими аналогами МП. Влияние вращения метачастиц на формирование ПБ-фазы при рассеянии КП-волн от конформных МП остается малоизученным, что ограничивает возможности их практического применения.

Цель. Оценить влияние радиуса кривизны и ориентации осей анизотропии цилиндрических метаповерхностей (ЦМП) на поляризационную конверсию КП-волн и фазу Панчаратнама-Берри при обратном рассеянии от двух моделей цилиндрических МП.

Результаты. В качестве первой модели предложена идеализированная анизотропная металло-магнитная импедансная модель цилиндрической МП с вращающейся осью анизотропии. Показано, что она описывается бездисперсными граничными условиями, соответствующими идеальным электрическому и магнитному проводникам в ортогональных направлениях. Для данной модели аналитически определены зависимости элементов матрицы рассеяния в линейном и круговом поляризационных базисах от радиуса ka и угла поворота β осей анизотропии ЦМП. Отмечено, что модель реализует противофазное рассеяние ко-поляризованных TE- и TM-волн независимо от угла поворота β и радиуса ka. Установлено, что в резонансной области ka вращение осей анизотропии приводит к возникновению аномалий амплитуд и фаз КП-волн вблизи углов β = 45° и β = 135°. Выявлено, что отклонения ПБ-фазы от линейного закона ψPB = ±2β для право- и левополяризованных волн соответственно ослабевают при ka > 5. Методом конечных элементов исследованы характеристики рассеяния второй тонкослойной полноволновой модели ЦМП с вращающимися метачастицами в виде гантелей. Установлено, что по сравнению с аналогичной плоской МП уровень кроссовой КП-волны растет, наблюдаются резонансные аномалии при β = 45° и β = 135° и незначительные отклонения ПБ-фазы от линейного закона.

Практическая значимость. Результаты могут быть полезны при проектировании цилиндрических метаповерхностей с различными профилями ПБ-фазы для управления характеристиками рассеяния и широкополосного снижения эффективной площади рассеяния.

Семенихин А.И., Савицкий А.Н. Управление фазой Панчаратнама-Берри обратного рассеяния от цилиндрических метаповерхностей // Антенны. 2025. № 6. С. 26–35. DOI: https://doi.org/10.18127/j03209601-202506-03

1. Chen H.T., Taylor A.J., Yu N. A review of metasurfaces: physics and applications // Reports on Progress in Physics. 2016. V. 79. № 7. P. 076401. DOI: 10.1088/0034-4885/79/7/07640.
2. Li A., Singh S., Sievenpiper D. Metasurfaces and their applications // Nanophotonics. 2018. V. 7. № 6. P. 989–1011. DOI: 10.1515/ nanoph-2017-0120.
3. Zhuo W. et al. A review of high-efficiency Pancharatnam-Berry metasurfaces // Terahertz Science and Technology. 2020. V. 13. № 3. P. 73–89. DOI: 10.1051/tst/2020133073.
4. Chen K. et al. Geometric phase coded metasurface: from polarization dependent directive electromagnetic wave scattering to diffusion-like scattering // Scientific reports. 2016. V. 6. № 1. P. 35968. DOI: 10.1038/srep35968.
5. Wu X. et al. Ultra-broadband Pancharatnam-Berry phase metasurface for arbitrary rotation of linear polarization and beam splitter // Optics express. 2022. V. 30. № 9. P. 15158–15171. DOI: 10.1364/OE.456393.
6. Du J. et al. Optical vortex array: generation and applications // Chinese Optics Letters. 2024. V. 22. № 2. P. 020011. DOI: 10.3788/ COL202422.020011.
7. 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. P. 1–3. DOI: 10.1109/ICMMT55580.2022.10023076.
8. Семенихин А.И., Семенихина Д.В. Метаповерхности Патчаратнама-Берри с генерацией углового орбитального момента и комбинированным фазовым кодированием для широкополосного широкоугольного снижения ЭПР // Журнал радиоэлектроники. 2024. № 5. DOI: 10.30898/1684-1719.2024.5.9.
9. 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. P. 19–23. DOI: 10.1109/ICEAA57318.2023.10297857.
10. Liu Q. et al. RCS reduction metasurface based on orbital angular momentum // Results in Physics. 2023. V. 53. P. 107008. DOI: 10.1016/j.rinp.2023.107008.
11. Семенихин А.И., Семенихина Д.В. Цилиндрические анизотропные метаповерхности с биградиентным спиральным кодированием фазы Панчаратнам-Бэрри и аномальным рассеянием // Журнал радиоэлектроники. 2022. № 10. DOI: 10.30898/1684-1719.2022.11.14
12. Dugan J. et al. Field scattering analysis of cylindrical spatially dispersive metasurfaces // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2023. V. 22. № 11. P. 2619–2623. DOI: 10.1109/LAWP.2023.3291868.
13. Al-Nuaimi M.K.T., Huang G.L. 3D conformal metasurfaces for RCS reduction of 3D targets at microwave frequencies // 2023 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). IEEE. 2023. P. 1–3. DOI: 10.1109/ICMMT58241. 2023.10276719.
14. Семенихин А.И., Климов А.В., Савицкий А.Н. Анизотропная импедансная цилиндрическая метаповерхность для самоадаптивного гашения рассеянных волн любых поляризаций // Известия ЮФУ. Технические науки. 2023. № 6. DOI: 10.18522/2311-3103-2023-6-258-267.