Simulation of scattering properties of modular metasurfaces in the 16–25 GHz range and comparison with experimental results

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background and Objectives: Metasurfaces are coatings consisting of elementary resonators that reemit incident UHF electromagnetic waves. By varying the parameters and arrangement of these resonators, it is possible to tune the electrical properties of the metasurface as a whole. This produces a number of practically important characteristics that are difficult to achieve with conventional attenuation coatings, and therefore prospective in the tasks of shielding of electronic devices and attenuation of the reflected signal. As there are many possible configurations of resonators, numerical experiments are needed for an effective comparative analysis. We investigate metasurfaces consisting of rectangular stripline resonators arranged on a dielectric substrate in a checkerboard pattern in two configurations. The aim of the study is to obtain scattering diagrams in numerical experiments and compare them with real structures. Materials and Methods: In this paper a computer simulation of the interaction of metasurfaces with the microwave radiation in open space is carried out using the CST Studio package with a time domain solver. Calculations were performed for several frequencies in the range of 16 to 25 GHz. Experiments were then carried out with real structures at the same frequencies, using a bistatic method of measurements. The structures, with single resonators measuring 2×4.2 mm matching the frequency range, consisted of etched copper-plated FR4 sheets overlaid on a metal plate. Results: The results show that the value of the normal component of the reflected electromagnetic wave decreases as the incident frequency approaches the resonance frequency. Also, side lobes, with a frequency-dependent magnitude, are observed. The scattering diagrams obtained with real samples show the same characteristic features with differences caused by physical particularities of the receiving antenna as well as the presence of diffraction effects. Both structures examined have shown high incident wave scattering, which is clearly indicated by the redistribution of the central lobe in diagrams. Comparison has shown that the simulated metasurfaces have similar patterns to the experimental diagrams. Conclusion: The comparative analysis has demonstrated a satisfactory fit of the simulation to the experiment. Further studies with structures of this type are planned in the future. It may be noted that the CST Studio package has worked well and will be used in future studies.

About the authors

Alim Seit-Ametovitch Mazinov

V. I. Vernadsky Crimean Federal University, Physical-Technical Institute

4 Prospekt Vernadskogo, Simferopol 295007, Republic of Crimea, Russia

Mikhail M. Padalinsky

V. I. Vernadsky Crimean Federal University, Physical-Technical Institute

4 Prospekt Vernadskogo, Simferopol 295007, Republic of Crimea, Russia

Nikolay A. Boldyrev

V. I. Vernadsky Crimean Federal University, Physical-Technical Institute

4 Prospekt Vernadskogo, Simferopol 295007, Republic of Crimea, Russia

Aleksandr Viktorovitch Starosek

V. I. Vernadsky Crimean Federal University, Physical-Technical Institute

4 Prospekt Vernadskogo, Simferopol 295007, Republic of Crimea, Russia

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».