棋盤型結(jié)構(gòu)在太赫茲寬頻段RCS縮減中應(yīng)用研究

棋盤型結(jié)構(gòu)在太赫茲寬頻段RCS縮減中應(yīng)用研究

梁蘭菊1,2，閆昕1,2，姚建銓1

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

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

[關(guān)鍵詞]太赫茲；雷達(dá)散射截面縮減；人工磁導(dǎo)體；棋盤型結(jié)構(gòu)[收稿日期]2015-08-19

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號:61271066)、山東省2013年科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:2013GGA04021)、中國博士后科學(xué)基金(項(xiàng)目編號:2015M571263)、山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:J15LN36)、棗莊學(xué)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(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院2014級博士后，棗莊學(xué)院光電工程學(xué)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(xiàn)標(biāo)識碼]A

0引言

在雷達(dá)隱身，成像，探測器等方面，實(shí)現(xiàn)自由調(diào)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(yīng)用[1-4].雷達(dá)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(dá)軍事應(yīng)用等方面的快速發(fā)展，降低RCS受到越來越多的關(guān)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(shí)現(xiàn)不同頻段的RCS縮減.2007年P(guān)aquay等人[9]提出了由AMC(人工磁導(dǎo)體，artificial magnetic conductor,)與PEC(理想導(dǎo)電體，perfect electric conductor)以棋盤形式復(fù)合的低RCS反射屏實(shí)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了帶寬稍寬的RCS縮減[10].但是,多種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(yīng)用前景的太赫茲波段.

THz波是一種光子能量低，穿透性強(qiáng),脈沖短、相干性好的電磁波.這些獨(dú)特的性能也是它被認(rèn)為可以影響人類未來發(fā)展的十大科學(xué)技術(shù)之一.THz波的穿透性強(qiáng)、傳播距離短，為制作THz導(dǎo)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(dá).因此為了發(fā)展太赫茲技術(shù)，研究低散射的結(jié)構(gòu)具有非常重要的應(yīng)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(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)的不同尺寸，使反射相位差在0.72-1.26THz范圍內(nèi)保持在180度(30度之間，遠(yuǎn)場反射波產(chǎn)生對稱的四波束，達(dá)到寬頻段RCS的縮減.該結(jié)構(gòu)為實(shí)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(jié)構(gòu)示意圖

1設(shè)計(jì)低RCS棋盤型結(jié)構(gòu)基本理論

圖1為棋盤型結(jié)構(gòu)示意圖，假設(shè)AMC1和AMC2在電磁波輻射下產(chǎn)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(chǎn)生的電場幅度，φ1和φ2分別是AMC1和AMC2的反射相位.當(dāng)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)棋盤型AMC結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)RCS縮減達(dá)到10dB以上.

圖 2 (a) 棋盤型結(jié)構(gòu)示意圖 (b)AMC1結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值仿真

根據(jù)以上的基本理論，對AMC結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行優(yōu)化，盡可能在更寬頻段實(shí)現(xiàn)反射相位差在180度左右.圖2(a)為優(yōu)化設(shè)計(jì)太赫茲棋盤型結(jié)構(gòu)示意圖，為AMC1與AMC2兩種結(jié)構(gòu)組成，該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的特性，首先利用CST Microwave Studio軟件計(jì)算AMC1與AMC2的反射相位以及相位差與頻率的關(guān)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(jié)構(gòu)可以實(shí)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(guān)系

圖4　電磁波垂直入射時，不同頻率的遠(yuǎn)場分布

為了更直觀的觀察棋盤型結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場散射場，在垂直入射情況下，對所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場RCS進(jìn)行了不同頻率計(jì)算仿真，如圖4所示. 從圖中看出，在f=0.8THz和 f=1.2THz處，遠(yuǎn)場在法向相消，產(chǎn)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(shí)現(xiàn)RCS縮減.在f=0.65THz和 f=1.4THz處，遠(yuǎn)場在法向不能相消，該頻率點(diǎn)不能實(shí)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(diǎn)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(diǎn)的反射相位差遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)相對于同尺寸金屬板的RCS縮減量

為了進(jìn)一步表征寬頻段RCS的縮減特性，計(jì)算了電磁波垂直入射時，棋盤型結(jié)構(gòu)相對同尺寸金屬板的RCS縮減量與頻率的關(guān)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(jì)算的反射相位差為180±30度之間帶寬一致.

3結(jié)論

本文通過兩種結(jié)合的AMC結(jié)構(gòu)即棋盤結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了寬頻段RCS的縮減.兩種AMC結(jié)構(gòu)基于耶路撒冷十字型結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化單元尺寸，兩種結(jié)構(gòu)的反射相位差在寬頻段范圍內(nèi)差接近180度，法線的反射波相消，實(shí)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(jié)構(gòu)一致. 總之，設(shè)計(jì)的新型棋盤型結(jié)構(gòu)是一種有效的柔性寬帶后向RCS縮減結(jié)構(gòu)，在太赫茲雷達(dá)隱身等方面具有重要的意義.

參考文獻(xiàn)

[1]P. U. Jepsen, D. G. Cooke, M. Koch.Terahertz spectroscopy and imaging-Modern techniques and applications[J].Laser Photon. Rev. 2011,5, 124-166.

[2]T. Kleine-Ostmann, T. Nagatsuma, A Review on terahertz communications research, J. Infrared[J].Millimeter,Terahertz Waves 2013,32, 143-171.

[3]M. Y. Liang, C. L. Zhang, R. Zhao, et al.Experimental 0.22 THz Stepped frequency radar system for ISAR imaging[J]. J. Infrared, Millimeter,Terahertz Waves, 2014,35, 780-789 .

[4] Pendry J B, Schurig D, Smith D R. Controlling electromagnetic fields [J]. Science, 2006, 312:1780-1782.

[5]李勇峰,張介秋,屈紹波,等.寬頻帶雷達(dá)散射截面縮減相位梯度超表面的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].物理學(xué)報,2014,63(8), 084103.

[6]J. Chen, Q. Cheng, J. Zhao, et al, Reduction of radar cross Section based on a metasurface[J]. Progr. Electromagne. Res. 2014,146,71-76 .

[7]M. Bozzi, S. Germani, L. Perregr, Performance comparison of different element shapes used in printed reflectarrays[J].IEEE Transactions on Antennas and wireless propagation letters ,2003,2(1), 219-222.

[8]M. Bozzi, S. Germani, L. Perregr, A figure of merit for losses in printed reflectarray elements[J]. IEEE Transactions on Antennas and wireless propagation letters,2004, 3(1), 257-260.

[9]趙一,曹祥玉,高軍,等.工磁導(dǎo)體正交布陣的寬帶低雷達(dá)截面反射屏[J].物理學(xué)報,2013,62(15), 154204.

[10]M. E. de Cos, Y.Alvarez, and F.las-heras, Anovel approach for RCS reduction using a combination of artifical magnetic conductors[J].Progr. Electromagne. Res. 2010,107,147-159 .

[11]謝旭,鐘華,袁韜,等,使用太赫茲技術(shù)研究航天飛機(jī)失事的原因頻[J].物理,2003,32(9), 583- 584 .

[12]戚祖敏.太赫茲波在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用研究[J].紅外,2008,29(12), 1-4.

[13]楊光鯤,袁斌,謝東彥,等.太赫茲技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用[J].激光與紅外, 2011,41(4), 376-379.

[14]K.-L. Yeh, M. C. Hoffmann, J. Hebling, et al. Generation of 10 μJ ultrashort terahertz pulses by optical rectification.Applied Physics Letters[J].2007,90, 171121.

[責(zé)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