Пространственное перераспределение и поглощение энергии электромагнитной волны комбинированной структурой

Физика электромагнитных волн позволяет гибко влиять на распределение энергии в пространстве. Однако в длинноволновом диапазоне это требует от радиосистем значительных размеров, что увеличивает их массогабаритные характеристики и стоимость изделия в целом [1]. Альтернативой являются метаповерхности, способные управлять диаграммой рассеяния за счет аномального переотражения [2; 3]. Основной сложностью в подобных решениях является преодоление узкополосности и сильной угловой зависимости, обусловленных малой толщиной покрытия. Перспективным путем является создание гибридных структур [4; 5], сочетающих метаповерхности с тонкопленочными поглотителями. Понимание физики управления обратным рассеиванием электромагнитного излучения метаструктурами антенного вида является основным требованием для создания новых устройств и систем СВЧ-диапазона [6; 7].

С опорой на вышесказанное целью представленной работы было экспериментальное исследование и численное моделирование свойств ме- таповерхности на основе массива треугольных спиралевидных резонаторов и ее комбинации с ультратонкой проводящей пленкой.

1.    Методика экспериментальных измерений и используемые материалы

Исследовалось комбинированное покрытие (рис. 1, вставка 3), в основании которого располагалась отражающая плоскость (медная пластина) (рис. 1, вставка 1), над которой размещалась метаповерхность на основе планарного массива из 64 парных треугольных спиралевидных резонаторов (рис. 1, вставка 2), изготовленных методом ЧПУ-фрезерования на фольгированном стеклотекстолите FR-4 (толщина меди 16 мкм, общий размер матрицы метаповерхности 160 × 160 мм) [8; 9]. Фронтальным элементом служила резистивная алюминиевая пленка толщиной 5 нм, нанесенная методом магнетронного напыления на стеклянную подложку [10]. Геометрия резонаторов была оптимизирована для работы в диапазоне 18–26 ГГц.

Для получения зависимости величины отраженной волны от угла падения электромагнит-

Рис. 1. Амплитуда обратной отраженной волны от: 1 – металлического зеркала; 2 – спиралевидной метаповерхности на зеркале; 3 – комбинированного покрытия в целом

Fig. 1. Amplitude of the backscattered wave from: 1 — metallic mirror; 2 — spiral metasurface on the mirror; 3 — combined coating as a whole

ной волны в частотном диапазоне от 18 до 26 ГГц был проведен ряд экспериментальных измерений. Квазимоностатические измерения в безэховой камере проводились на векторном анализаторе цепей ZVA40 с использованием реконфигурируемых антенн П6-140-3. Угол падения плоской волны изменялся от 0° до 90°. Для расположения образцов внутрь самой измерительной камеры и возможности поворачивать его применялось опорно-поворотное устройство из диэлектрического материала.

Первоначально были получены нормировочные значения (рис. 1, кривая 1) отраженных волн от медной пластины, которая выступала в качестве эталонного отражателя. Геометрические параметры пластины были выбраны исходя из размеров измеряемых структур. Далее последовательно устанавливались и измерялись матричный массив метаповерхности (рис. 2, кривая 2) и комбинированное покрытие (рис. 1, кривая 3).

2.    Электродинамическое моделирование

На рис. 2, а представлена электродинамическая модель для изучения рассеивающих свойств планарного массива треугольных спиралевидных элементов, линейные размеры единичной ячейки метаповерхности составляли 20 × 20 мм. Метаповерхность включает два слоя: диэлектрическую подложку из материала FR-4 толщиной 1,5 мм и проводящие элементы из меди толщиной 16 мкм. Численное моделирование осуществля- лось в расчетной области, заполненной вакуумом, с геометрическими размерами 40 × 40 × 22,535 мм, на границах которой было задано граничное условие Radiation Boundary, позволяющее моделировать распределение фронта отраженной волны на бесконечное пространство, тем самым рассматривая диаграммы обратного рассеивания в дальней зоне. Структура возбуждается падающей плоской электромагнитной волной с амплитудой электрического поля E0 = 1 В/м с линейной поляризацией по оси X. Источник волны размещен на расстоянии 15 мм от верхней грани единичных резонаторов. Угол волнового вектора θ изменялся в диапазоне от 0° до 90° с шагом 1° при фиксированном азимутальном угле φ = 0°, что позволило рассмотреть случай углового падения волны и сравнить его с результатами, полученными в безэховой камере.

Моделирование комбинированного покрытия с учетом пленочной структуры выполнялось в CST Studio Suite с использованием решателя во временной области и дисперсионной модели Дебая. Чтобы соответствовать реальным условиям эксперимента, в качестве источника излучения задавалась плоская волна с линейной поляризацией вдоль оси X, падающая под углом 90° на исследуемую поверхность (вдоль оси Z) (рис. 2, б ). Расчеты производились для полного рассеянного поля, однако в целях сравнения с экспериментом, результаты приведены для конкретных компонент. Далее были заданы граничные условия для области моделирования. В данном случае необходимо

Рис. 2. Область моделирования с заданными граничными условиями в: а ) Ansys HFSS для расчета углового падения, б ) CST Studio для моделирования свойств комбинированного покрытия

Fig. 2. Simulation domain with the specified boundary conditions in: a ) Ansys HFSS for angular incidence calculation, b ) CST Studio for modeling the properties of the combined coating

Рис. 3. График величины отраженной волны при нулевом угле поворота структуры: а ) эксперимент; б ) моделирование; 1 – медная пластина; 2 – метаповерхность на пластине; 3 – комбинированное покрытие

Fig. 3. Reflected wave magnitude at zero rotation angle of the structure: a) experiment; b) simulation; 1 – copper plate; 2 – metasurface on the plate; 3 – combined coating

было учитывать дополнительное пространство для расчета дальнего поля, что рекомендуется при расчете антенных и высокочастотных задач. Поэтому было выбрано открытое пространство с дополнительным расстоянием (Open (add. space)), равным 36 мм, что составляет более двух длин волн для средней частоты диапазона (20 ГГц).

3.    Результаты и обсуждение

На рис. 3 приведены сравнения экспериментальных и расчетных частотных зависимости величины отраженной волны при нормальном падении. Метаповерхность демонстрирует резонансное подавление отражения до –25 дБ относительно металлического зеркала на частоте 19,3 ГГц. Комбинированное покрытие обеспечивает дополни-

Рис. 4. 3D-распределение амплитуды отраженного поля: а ) от металлического зеркала; б ) от метаповерхности, расположенной на металлическом зеркале

Fig. 4. 3D distribution of the reflected field amplitude: a) from a metallic mirror, b) from a metasurface placed on a metallic mirror

Рис. 5. Угловая зависимость амплитуды рассеянного поля E( θ ) метаповерхности в сравнении с эталонным отражателем при угле падении волны: а ) 0 = 0°; б ) 0 = 25°; в ) 0 = 50° и 0 = 75° на резонансной частоте

Fig. 5. Angular dependence of the scattered field amplitude E(θ) of the metasurface in comparison with the reference reflector at wave incidence angle: a ) 0 = 0°; b ) 0 = 25°; c ) 0 = 50° and 0 = 75° at the resonant frequency

тельное ослабление примерно на 20 дБ во всем исследуемом диапазоне 18–26 ГГц. Результаты моделирования (рис. 3) хорошо согласуются с экспериментальными данными. Подобный эффект может быть обусловлен локализацией поля в областях диэлектрических слоев между проводящими элементами комбинированного покрытия и вблизи поглощающей пленки, а также большого числа вторичных переотражений от проводящих элементов внутри комбинированного покрытия.

Объемные диаграммы обратного рассеяния для металлической пластины и метаповерхности на резонансной частоте, полученные моделированием в Ansys HFSS (рис. 4), показывают, что данная конфигурация метаструктуры позволяет перераспределять энергию из центрального лепестка в боковые, что свидетельствует о наличии рассеивающих свойств данной структуры.

Мощность в кросс-поляризации обусловлена формой единичных резонаторов в виде треугольных спиралей, нарушающих симметрию поверхностных токов и возбуждающих поперечные компоненты поля, которые функционируют как источники вторичных локальных излучателей с ортогональной к основной поляризацией. На представленных графиках и диаграммах приведены данные для ко-поляризованной компоненты рассеянного поля, так как именно она сравнивалась с экспериментальными данными.

Экспериментальное измерение диаграмм (рис. 1) подтвердило, что метаповерхность без поглотителя формирует аномальные боковые лепестки. Добавление поглощающей пленки подавляет эти лепестки до уровня, сопоставимого с металлическим зеркалом, и обеспечивает низкий уровень отражения при всех углах. Данное явление позволяет говорить о том, что одновременное использование рассеивающих и поглощающих проводящих поверхностей минимизирует недостатки использования мeтаструктур в качестве малоотра-жающей поверхности, а также дополнительно увеличивает величину ослабления отраженной волны не только в направлении нормали, но и при отличных от нее углах.

Далее был рассмотрен случай падения волны под углом к исследуемой метаповерхности. Для анализа угловой устойчивости были исследованы зависимости амплитуды рассеянного поля E(θ) при различных углах падения. На рис. 5 представлены результаты для углов 0°, 25°, 50° и 75° на четырех характерных углах падения волны. В отличие от зеркала, формирующего максимум в направлении зеркального отражения, метаповерхность создает боковые лепестки. На резонансной частоте амплитуда бокового лепестка в направлении, близком к источнику падающей волны

(например, 19° при падении 25°), в 2–4 раза превышает амплитуду ослабленного главного лепестка.

Заключение

Показано, что комбинированная структура на основе метаповерхности с треугольными спиралевидными резонаторами и проводящей пленкой обеспечивает широкополосное (до 8 ГГц) и углоустойчивое (до 75°) снижение обратного рассеяния. Подобный эффект достигается за счет пространственного перераспределения энергии метаповерхностью и ее параллельной диссипации в пленке. Полученные результаты подтверждают перспективность гибридного подхода для разработки эффективных малозаметных покрытий.

Финансирование

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 25-22-00261).