vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2022-58-1-110-119vestifm-634Research ArticleФИЗИКАPHYSICSМетаматериал на основе планарных спиралей как преобразователь поляризации электромагнитных волнA metamaterial based on planar spirals as a electromagnetic waves polarization converterhttps://orcid.org/0000-0002-2438-0330СемченкоИ. В.SemchenkoI. V.

Семченко Игорь Валентинович – доктор физико-математических наук, профессор, проректор по учебной работе

ул. Советская, 104, 246028, Гомель

Igor V. Semchenko – Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Vice-Rector for Academic Affairs

104, Sovetskaya Str., 246028, Gomel

isemchenko@gsu.byКравченкоА. Ю.KravchenkoA. Y.

Кравченко Александр Юрьевич – аспирант

ул. Советская, 104, 246028, Гомель

Alexander Y. Kravchenko – Postgraduate Student

104, Sovetskaya Str., 246028, Gomel 

kravchenko.a.y@tut.byhttps://orcid.org/0000-0002-6691-9189СамофаловА. Л.SamofalovA. L.

Самофалов Андрей Леонидович – кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры общей физики

ул. Советская, 104, 246028, Гомель

Andrey L. Samofalov – Ph. D. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Associate Professor of the Department of General Physics

104, Sovetskaya Str., 246028, Gomel

samofalov@gsu.byhttps://orcid.org/0000-0001-7068-7061ХахомовС. А.KhakhomovS. A.

Хахомов Сергей Анатольевич – доктор физико-математических наук, доцент, ректор

ул. Советская, 104, 246028, Гомель

Sergei A. Khakhomov – Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Rector

104, Sovetskaya Str., 246028, Gomel 

khakh@gsu.byГомельский государственный университет имени Франциска СкориныFrancisk Skorina Gomel State University202204042022581110119Copyright © Семченко И.В., Кравченко А.Ю., Самофалов А.Л., Хахомов С.А., 20222022Семченко И.В., Кравченко А.Ю., Самофалов А.Л., Хахомов С.А.Semchenko I.V., Kravchenko A.Y., Samofalov A.L., Khakhomov S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/634

Проведено проектирование и моделирование метаповерхности, позволяющей преобразовать падающую линейно поляризованную электромагнитную волну в прошедшую волну с эллиптической поляризацией, близкой к циркулярной. При этом коэффициент отражения волны близок к нулю на резонансной частоте, поскольку метаповерхность аналогична свободному пространству по своему волновому сопротивлению. Резонансными элементами метаповерхности (метаатомами) являются двухвитковые планарные спирали, обладающие сбалансированными диэлектрическими и магнитными свойствами. Такие спирали проявляют кардинально различные свойства по отношению к волнам с правой и левой циркулярной поляризацией. Метаповерхность как преобразователь поляризации обладает сильными хиральными свойствами, поскольку содержит планарные спирали только одного направления закручивания, и может быть изготовлена в рамках технологий печатных плат.

The design and modeling of a metasurface is carried out, which makes it possible to transform an incident linearly polarized electromagnetic wave into a transmitted wave with elliptical polarization close to circular. At the same time, the reflection coefficient of the wave is close to zero at the resonant frequency, since the metasurface is similar to the free space in its wave resistance. The resonant elements of the meta-surface (meta-atoms) are two-turn planar spirals with balanced dielectric and magnetic properties. Such spirals exhibit radically different properties with respect to waves with right and left circular polarization. The metasurface as a polarization converter has strong chiral properties, since it contains planar spirals of only one direction of twisting, and can be manufactured within the framework of printed circuit board technologies.

метаматериалметаповерхностьциркулярная поляризация электромагнитной волныпланарная спиральпечатные платыmetamaterialmetasurfacecircular polarization of electromagnetic waveplanar spiralprinted circuit boardsРабота выполнена в рамках Государственной программы научных исследований «Фотоника и электроника для инноваций», подпрограмма «Опто- и СВЧ-электроника».The work was carried out within the framework of the State Research Program “Photonics and Electronics for Innovation”, Subprogram “Opto- and Microwave Electronics”.ReferencesAsadchy, V. Bianisotropic metasurfaces: physics and applications / V. Asadchy, A. Díaz-Rubio, S. Tretyakov // Nanophotonics 2018. – 2018. – Vol. 7, № 6. – P. 1069-1094. https://doi.org/10.1515/nanoph-2017-0132Asadchy V., Díaz-Rubio A., Tretyakov S. Bianisotropic metasurfaces: physics and applications. Nanophotonics 2018, 2018, vol. 7, no. 6, pp. 1069-1094. https://doi.org/10.1515/nanoph-2017-0132Planar broadband Huygensꞌ metasurfaces for wave manipulations / F. S. Cuesta [et. al.] // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2018. – Vol. 66, № 12. – P. 7117–7127. https://doi.org/https://doi.org/10.1109/TAP.2018.2869256Cuesta F. S., Faniayeu I. A., Asadchy V. S., Tretyakov S. A. Planar broadband Huygensꞌ metasurfaces for wave manipulations. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2018, vol. 66, no. 12, pp. 7117-7127. https://doi.org/https://doi.org/10.1109/TAP.2018.2869256Niemi, T. Synthesis of Polarization Transformers / T. Niemi, A. O. Karilainen, S. A. Tretyakov // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2013. – Vol. 61, № 6. https://doi.org/10.1109/TAP.2013.2252136Niemi T., Karilainen A. O., Tretyakov S. A. Synthesis of Polarization Transformers. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, vol. 61, no. 6. https://doi.org/10.1109/TAP.2013.2252136Achieving wide-band linear-to-circular polarization conversion using ultra-thin bilayered metasurfaces / Y. Li [et al.] // J. Appl. Phys. – 2015. – Vol. 117, № 4. – P. 04451. https://doi.org/10.1063/1.4906220Li Y., Zhang J., Qu S., Wang J., Zheng L., Pang Y., Xu Z., Zhang A. Achieving wide-band linear-to-circular polarization conversion using ultra-thin bilayered metasurfaces. Journal of Applied Physics, 2015, vol. 117, no. 4, pp. 04451. https://doi.org/10.1063/1.4906220Metallic Helix Array as a Broadband Wave Plate / C. Wu [et al.] // Phys. Rev. Lett. – 2011. – Vol. 107, № 17. – P. 177401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.177401Wu C., Li H., Yu X., Li F., Chen H., Chan C. Metallic Helix Array as a Broadband Wave Plate. Physical Review Letters, 2011, vol. 107, no. 17, pp. 177401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.177401Федоров, Ф. И. Теория гиротропии / Ф. И. Федоров. – Минск: Наука и техника, 1976. − 456 с.Fedorov F. I. Theory of Gyrotropy. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1976. 456 p. (in Russian).Бокуть, Б. В. К феноменологической теории естественной оптической активности / Б. В. Бокуть, А. Н. Сердюков // Журн. эксперим. и теор. физики. – 1971. – Т. 61, № 5. − С. 1808−1813.Bokut’ B. V., Serdyukov A. N. On the phenomenological theory of natural optical activity. Zhurnal eksperimental’noi i teoreticheskoi fiziki = Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1971, vol. 61, no. 5, pp. 1808–1813 (in Russian).Проектирование метаматериалов на основе планарных спиралей в СВЧ-диапазоне / И. В. Семченко [и др.] // Изв. Гомел. гос. ун-та им. Ф. Скорины. – 2020. – № 3 (120). – С. 154–160.Semchenko I. V., Kravchenko A. Y., Samofalov A. L., Fanyaev I. A. Design of metamaterials based on planar spirals in the microwave range. Izvestiya Gomel’skogo gosudarstvennogo universiteta imeni F. Skoriny = Francisk Scorina Gomel State University Proceedings, 2020, no. 3 (120), pp. 154-160 (in Russian).Determining polarizability tensors for an arbitrary small electromagnetic scatterer / V. S. Asadchy [et. al.] // Photon. Nanostruct. – Fundam. Appl. – 2014. – Vol. 12. – P. 298–304. https://doi.org/10.1016/j.photonics.2014.04.004Asadchy V. S., Faniayeu I. A., Ra’di Y., Tretyakov S. A. Determining polarizability tensors for an arbitrary small electromagnetic scatterer. Photonics and Nanostructures – Fundamentals and Applications, 2014, vol. 12, pp. 298-304. https://doi.org/10.1016/j.photonics.2014.04.004Преобразование поляризации прошедшей СВЧ-волны в бианизотропном метаматериале на основе планарных спиралей [Электронный ресурс] / А. Ю. Кравченко [и др.] // Науч. конф., посвящ. 110-летию со дня рождения Ф. И. Федорова (Гомель, 25 июня 2021 г.): сб. материалов. – Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2021. – C. 78–83. – Режим доступа: http://elib.gsu.by/jspui/handle/123456789/25087Kravchenko A. Y., Semchenko I. V., Samofalov A. L., Khakhomov S. A. Transformation of the polarization of the transmitted microwave wave in an anisotropic metamaterial based on planar spirals. Nauchnaya konferentsiya, posvyashchennaya 110-letiyu so dnya rozhdeniya F. I. Fedorova (Gomel’, 25 iyunya 2021 goda): sbornik materialov [Scientific conference dedicated to the 110th anniversary of the birth of F. I. Fedorov (Gomel, June 25, 2021): collection of materials]. Gomel, 2021, pp. 78–83. Available at: http://elib.gsu.by/jspui/handle/123456789/25087 (in Russian).Electromagnetics of Bianisotropic Materials: Theory and Applications / A. N. Serdyukov [et. al.]. – London: Gordon and Breach Publishing Group [etc.], 2001. – 337 p.Serdyukov N., Semchenko I., Tretyakov S., Sihvola A. Electromagnetics of Bianisotropic Materials: Theory and Applications. London, Gordon and Breach Publishing Group [etc.], 2001. 337 p.Семченко, И. В. Электромагнитные волны в метаматериалах и спиральных структурах / И. В. Семченко, С. А. Хахомов. – Минск: Беларус. навука, 2019. – 279 с.Semchenko I. V., Khakhomov S. A. Electromagnetic Waves in Metamaterials and Spiral Structures. Minsk, Belruskaya navuka Publ., 2019. 279 p. (in Russian).Семченко, И. В. Преобразование поляризации электромагнитных волн спиральными излучателями / И. В. Семченко, С. А. Хахомов, А. Л. Самофалов // Радиотехника и электроника. – 2007. – Т. 52, № 8. – C. 917−922.Semchenko I. V., Khakhomov S. A., Samofalov A. L. Transformation of polarization of electromagnetic waves by spiral emitters. Radiotekhnika i elektronika, 2007, vol. 52, no. 8, pp. 917−922 (in Russian).Семченко, И. В. Оптимальная форма спирали: равенство диэлектрической, магнитной и киральной восприимчивостей / И. В. Семченко, С. А. Хахомов, А. Л. Самофалов // Изв. высш. учеб. заведений. Физика. – 2009. – Т. 52, № 5. – С. 30–36.Semchenko I. V., Khakhomov S. A., Samofalov A. L. Optimal spiral shape: equality of dielectric, magnetic and chiral susceptibilities. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Fizika = Russian Physics Journal, 2009, vol. 52, no. 5, pp. 30–36 (in Russian).Modeling of Spirals with Equal Dielectric, Magnetic, and Chiral Susceptibilities / E. Saenz [et. al.] // Electromagnetics. – 2008. – Vol. 28, № 7. – P. 476–493. https://doi.org/10.1080/02726340802322528Saenz E., Semchenko I. V., Khakhomov S. A., Guven K., Gonzalo R., Ozbay E., Tretyakov S. Modeling of Spirals with Equal Dielectric, Magnetic, and Chiral Susceptibilities. Electromagnetics, 2008, vol. 28, no. 7, pp. 476–493. https://doi.org/10.1080/02726340802322528Semchenko, I. V. Optimal Shape of Spiral: Equality of Dielectric, Magnetic and Chiral Properties / I. V. Semchenko, S. A. Khakhomov, A. L. Samofalov // META’08, Metamaterials for Secure Information and Communication Technologies: proceedings, Marrakesh, Morocco, 7−10 May 2008. − Paris, France, 2008. – P. 71–80.Semchenko I. V., Khakhomov S. A., Samofalov A. L. Optimal Shape of Spiral: Equality of Dielectric, Magnetic and Chiral Properties. META’08, Metamaterials for Secure Information and Communication Technologies: proceedings, Marrakesh, Morocco, 7−10 May 2008. Paris, France, 2008, pp. 71–80.Sihvola, A. H. Bi-isotropic constitutive relations / A. H. Sihvola, I. V. Lindell // Microwave Opt. Technol. Lett. – 1991. – Vol. 4, № 8. – P. 195–297. https://doi.org/10.1002/mop.4650040805Sihvola A. H., Lindell I. V. Bi-isotropic constitutive relations. Microwave and Optical Technology Letters, 1991, vol. 4, no. 8, pp. 195–297. https://doi.org/10.1002/mop.4650040805Tretyakov, S. Analytical Modeling in Applied Electromagnetics / S. Tretyakov. – Artech House, 2003. – 284 p.Tretyakov S. Analytical Modeling in Applied Electromagnetics. Artech House, 2003. 284 p.Lindell, I. V. Electromagnetic Waves in Chiral and Bi-isotropic Media / I. V. Lindell. – Artech House, 1994. – 332 p.Lindell I. V. Electromagnetic Waves in Chiral and Bi-isotropic Media. Artech House, 1994. 332 p.Аззам, Р. Эллипсометрия и поляризованный свет / Р. Аззам, Н. Башара. – М.: Мир, 1981. – 583 с.Azzam R., Bashara N. Ellipsometry and Polarized Light. Мoscow, Mir Publ., 1981. 583 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.