棋盤型結構在太赫茲寬頻段RCS縮減中應用研究

梁蘭菊1,2，閆昕1,2，姚建銓1

(1.天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津300072；2.棗莊學院光電工程學院，山東棗莊277160)

[摘要]本文設計了一種太赫茲波段薄的新型棋盤型結構，實現(xiàn)了寬頻段RCS的縮減.該結構為不同尺寸的人工磁導體耶路撒冷十字型組成，通過優(yōu)化單元結構，使反射相位差在較寬范圍內保持在180±30度之間，從而降低后向散射能量，達到寬頻段RCS的縮減.仿真表明在0.76-1.26THz范圍內反射波在法向會相消，對應遠場產生四個對稱方向波束；該結構相對同尺寸的金屬板相應的波段內RCS的縮減量達到10dB以上，最大縮減量達到25dB，與理論分析一致.總之，棋盤型結構為實現(xiàn)寬頻段RCS縮減提供一種新的途徑，將在成像、雷達隱身等方面具有重要的意義.

[關鍵詞]太赫茲；雷達散射截面縮減；人工磁導體；棋盤型結構[收稿日期]2015-08-19

[基金項目]國家自然科學基金(項目編號:61271066)、山東省2013年科技發(fā)展計劃項目(項目編號:2013GGA04021)、中國博士后科學基金(項目編號:2015M571263)、山東省高等學校科技計劃項目(項目編號:J15LN36)、棗莊學院博士科研基金資助課題.

[作者簡介]梁蘭菊(1979-)，女，山東菏澤人，天津大學精密儀器與光電子工程學院2014級博士后，棗莊學院光電工程學院副教授，博士，主要從事太赫茲人工電磁超表面的研究.

[中圖分類號]0441TB34 [文獻標識碼]A

0引言

在雷達隱身，成像，探測器等方面，實現(xiàn)自由調控散射波以及降低散射波的能量具有非常重要的意義和前景，特別是軍事應用[1-4].雷達散射截面(radar cross section, RCS)是表征物體對入射電磁波散射特性的一種度量，隨著雷達軍事應用等方面的快速發(fā)展，降低RCS受到越來越多的關注.傳統(tǒng)的RCS縮減采用完美吸收器，吸波材料，非定向散射特性等，但是存在帶寬窄、難以共形等缺陷[5-8].為了拓寬帶寬，研究人員嘗試各種方法實現(xiàn)不同頻段的RCS縮減.2007年Paquay等人[9]提出了由AMC(人工磁導體，artificial magnetic conductor,)與PEC(理想導電體，perfect electric conductor)以棋盤形式復合的低RCS反射屏實現(xiàn)了RCS減縮，但是帶寬窄.2010年，E.de.cos等人嘗試采用兩種或兩種以上AMC結構實現(xiàn)了帶寬稍寬的RCS縮減[10].但是,多種結構的設計增加了優(yōu)化的難度，因此發(fā)展一種，簡單新型的寬頻段RCS縮減具有非常重要的意義，特別是在具有應用前景的太赫茲波段.

THz波是一種光子能量低，穿透性強,脈沖短、相干性好的電磁波.這些獨特的性能也是它被認為可以影響人類未來發(fā)展的十大科學技術之一.THz波的穿透性強、傳播距離短，為制作THz導航系統(tǒng)以及通信保密提供了有力條件[11-14].另外，相比微波，THz波長短的特性可以制作高靈敏度、高精確定位的THz雷達.因此為了發(fā)展太赫茲技術，研究低散射的結構具有非常重要的應用前景.

本文提出了一種薄的柔性耶路撒冷十字型(Jerusalem Crosses)新型AMC結構，通過優(yōu)化設計該結構的不同尺寸，使反射相位差在0.72-1.26THz范圍內保持在180度(30度之間，遠場反射波產生對稱的四波束，達到寬頻段RCS的縮減.該結構為實現(xiàn)太赫茲寬頻段RCS縮減提供了一種新型的方法.

圖1　棋盤型結構示意圖

1設計低RCS棋盤型結構基本理論

圖1為棋盤型結構示意圖，假設AMC1和AMC2在電磁波輻射下產生幅度相同的散射電場，總的等效輻射場為：

Er=A.ej.φ1+A.ej.φ2=Aej.φ1(1+ej.(φ1-φ2) )

(1)

其中A為表面產生的電場幅度，φ1和φ2分別是AMC1和AMC2的反射相位.當電磁波垂直入射時，各單元同相情況下的反射場表示為

E0=2A.ej.φ1

(2)

若要使棋盤型結構電磁波反射能量減小 10 dB以上，即

(3)

由(1) (2),(3)可得：

cos(φ1-φ2)≤-0.8

(4)

即AMC1和AM C2的反射相位差為：

(5)

以上為設計棋盤型AMC結構的基本原理，即AMC1和AM C2相位差滿足在180度±30度之間就可以實現(xiàn)RCS縮減達到10dB以上.

圖 2 (a) 棋盤型結構示意圖 (b)AMC1結構耶路撒冷十字型單元示意圖，其中p=120μm, W1=5μm, W2=6μm, h1=40μm, L1=60μm (c) AMC2結構耶路撒冷十字型單元示意圖, 其中p=120μm, W3=4.2μm, W4=3.5μm, h2=28μm, L2=42μm.

2低RCS棋盤型結構設計與數(shù)值仿真

根據(jù)以上的基本理論，對AMC結構單元進行優(yōu)化，盡可能在更寬頻段實現(xiàn)反射相位差在180度左右.圖2(a)為優(yōu)化設計太赫茲棋盤型結構示意圖，為AMC1與AMC2兩種結構組成，該結構大小為2400μm×2400μm. 整個單元分別由金屬膜-聚酰亞胺薄膜-AMC超表面三層組成.金膜的厚度為200nm，聚酰亞胺的厚度為40(m，聚酰亞胺的介電常數(shù)為3.1，介電損耗為0.05. AMC1與AMC2分別為不同尺寸的耶路撒冷十字型單元組成，兩個相鄰的耶路撒冷十字型單元間距p=120μm.為了表征棋盤型結構的特性，首先利用CST Microwave Studio軟件計算AMC1與AMC2的反射相位以及相位差與頻率的關系，如圖3所示.從圖中看出，在0.76 THz-1.27 THz 之間，反射相位差在143度-217度之間，因此該結構可以實現(xiàn)寬頻段RCS的縮減.

圖3　 AMC1與 AMC2的反射相位以及相位差與頻率的關系

圖4　電磁波垂直入射時，不同頻率的遠場分布

為了更直觀的觀察棋盤型結構的遠場散射場，在垂直入射情況下，對所設計的結構遠場RCS進行了不同頻率計算仿真，如圖4所示. 從圖中看出，在f=0.8THz和 f=1.2THz處，遠場在法向相消，產生了對稱的四個波束，利用能量守恒原理，每束散射波的能量很小從而實現(xiàn)RCS縮減.在f=0.65THz和 f=1.4THz處，遠場在法向不能相消，該頻率點不能實現(xiàn)RCS縮減.從前面的理論分析可知，f=0.8THz和 f=1.2THz這兩個頻率點的反射相位差在180度左右，而f=0.65THz和 f=1.4THz這兩個頻率點的反射相位差遠離180度.通過數(shù)值模擬與理論分析可知，兩者基本一致.

圖5　電磁波垂直入射時，棋盤型結構相對于同尺寸金屬板的RCS縮減量

為了進一步表征寬頻段RCS的縮減特性，計算了電磁波垂直入射時，棋盤型結構相對同尺寸金屬板的RCS縮減量與頻率的關系，如圖5所示.從圖5看出，RCS縮減量超過10 dB的帶寬范圍為0.73-1.26THz，相對中心頻率為53%，具有寬帶特性.該寬帶特性與理論計算的反射相位差為180±30度之間帶寬一致.

3結論

本文通過兩種結合的AMC結構即棋盤結構實現(xiàn)了寬頻段RCS的縮減.兩種AMC結構基于耶路撒冷十字型結構，通過優(yōu)化單元尺寸，兩種結構的反射相位差在寬頻段范圍內差接近180度，法線的反射波相消，實現(xiàn)了RCS縮減超過10 dB的帶寬范圍相對中心頻率為50%.理論分析與數(shù)值模擬結構一致. 總之，設計的新型棋盤型結構是一種有效的柔性寬帶后向RCS縮減結構，在太赫茲雷達隱身等方面具有重要的意義.

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[責任編輯：閆昕]

Broadband Radar Cross-Section Reduction in Terahertz Wave Using Chessboard Configuration

LIANG Lan-Ju1,2, YAN-Xin1,2,YAO Jian-quan1,2

(1. College of Precision Instrument and Opto-electronics Engineering, Tianjin University,

Tianjin 300072,China 2. School of Opt-Electronic Engineering, Zaozhuang University,

Zaozhuang 277160,China )

Abstract：In this article，a thin and novel chessboard configuration was proposed，which can achieved the broadband radar cross-section(RCS) reduction in THz frequency. This chessboard configuration is formed by combining artificial magnetic conductor(AMC) of Jerusalem Crosses with different dimensions. The difference reflection phase about 180 ±30 degree can be achieved in the broadband frequency through the optimization the unit structure and the backscattering energy is reduced, so the radar cross-section reduction can be attained in the broadband frequency. The simulation results show that the reflectivity wave will be cancelled at the normal direction, and can generate four symmetrical directional beam, and radar cross section reduction compared with bare metallic plate with the same size is more than 10dB within the same bandwidth，the maximum reduction is up to 25 dB. The chessboard configuration open a new route to achieve the RCS reduction，so it is of great application values in imaging and stealth of THz frequencies.

Key words：terahertz; radar cross-section reduction; artificial magnetic conductor(AMC); chessboard configuration