棋盘型结构在太赫兹宽频段RCS缩减中应用研究

棋盘型结构在太赫兹宽频段RCS缩减中应用研究

梁兰菊1,2，闫昕1,2，姚建铨1

(1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072；2.枣庄学院光电工程学院，山东枣庄277160)

[摘要]本文设计了一种太赫兹波段薄的新型棋盘型结构，实现了宽频段RCS的缩减.该结构为不同尺寸的人工磁导体耶路撒冷十字型组成，通过优化单元结构，使反射相位差在较宽范围内保持在180±30度之间，从而降低后向散射能量，达到宽频段RCS的缩减.仿真表明在0.76-1.26THz范围内反射波在法向会相消，对应远场产生四个对称方向波束；该结构相对同尺寸的金属板相应的波段内RCS的缩减量达到10dB以上，最大缩减量达到25dB，与理论分析一致.总之，棋盘型结构为实现宽频段RCS缩减提供一种新的途径，将在成像、雷达隐身等方面具有重要的意义.

[关键词]太赫兹；雷达散射截面缩减；人工磁导体；棋盘型结构[收稿日期]2015-08-19

[基金项目]国家自然科学基金(项目编号:61271066)、山东省2013年科技发展计划项目(项目编号:2013GGA04021)、中国博士后科学基金(项目编号:2015M571263)、山东省高等学校科技计划项目(项目编号:J15LN36)、枣庄学院博士科研基金资助课题.

[作者简介]梁兰菊(1979-)，女，山东菏泽人，天津大学精密仪器与光电子工程学院2014级博士后，枣庄学院光电工程学院副教授，博士，主要从事太赫兹人工电磁超表面的研究.

[中图分类号]0441TB34 [文献标识码]A

0引言

在雷达隐身，成像，探测器等方面，实现自由调控散射波以及降低散射波的能量具有非常重要的意义和前景，特别是军事应用[1-4].雷达散射截面(radar cross section, RCS)是表征物体对入射电磁波散射特性的一种度量，随着雷达军事应用等方面的快速发展，降低RCS受到越来越多的关注.传统的RCS缩减采用完美吸收器，吸波材料，非定向散射特性等，但是存在带宽窄、难以共形等缺陷[5-8].为了拓宽带宽，研究人员尝试各种方法实现不同频段的RCS缩减.2007年Paquay等人[9]提出了由AMC(人工磁导体，artificial magnetic conductor,)与PEC(理想导电体，perfect electric conductor)以棋盘形式复合的低RCS反射屏实现了RCS减缩，但是带宽窄.2010年，E.de.cos等人尝试采用两种或两种以上AMC结构实现了带宽稍宽的RCS缩减[10].但是,多种结构的设计增加了优化的难度，因此发展一种，简单新型的宽频段RCS缩减具有非常重要的意义，特别是在具有应用前景的太赫兹波段.

THz波是一种光子能量低，穿透性强,脉冲短、相干性好的电磁波.这些独特的性能也是它被认为可以影响人类未来发展的十大科学技术之一.THz波的穿透性强、传播距离短，为制作THz导航系统以及通信保密提供了有力条件[11-14].另外，相比微波，THz波长短的特性可以制作高灵敏度、高精确定位的THz雷达.因此为了发展太赫兹技术，研究低散射的结构具有非常重要的应用前景.

本文提出了一种薄的柔性耶路撒冷十字型(Jerusalem Crosses)新型AMC结构，通过优化设计该结构的不同尺寸，使反射相位差在0.72-1.26THz范围内保持在180度(30度之间，远场反射波产生对称的四波束，达到宽频段RCS的缩减.该结构为实现太赫兹宽频段RCS缩减提供了一种新型的方法.

图1　棋盘型结构示意图

1设计低RCS棋盘型结构基本理论

图1为棋盘型结构示意图，假设AMC1和AMC2在电磁波辐射下产生幅度相同的散射电场，总的等效辐射场为：

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

(1)

其中A为表面产生的电场幅度，φ1和φ2分别是AMC1和AMC2的反射相位.当电磁波垂直入射时，各单元同相情况下的反射场表示为

E0=2A.ej.φ1

(2)

若要使棋盘型结构电磁波反射能量减小 10 dB以上，即

(3)

由(1) (2),(3)可得：

cos(φ1-φ2)≤-0.8

(4)

即AMC1和AM C2的反射相位差为：

(5)

以上为设计棋盘型AMC结构的基本原理，即AMC1和AM C2相位差满足在180度±30度之间就可以实现RCS缩减达到10dB以上.

图 2 (a) 棋盘型结构示意图 (b)AMC1结构耶路撒冷十字型单元示意图，其中p=120μm, W1=5μm, W2=6μm, h1=40μm, L1=60μm (c) AMC2结构耶路撒冷十字型单元示意图, 其中p=120μm, W3=4.2μm, W4=3.5μm, h2=28μm, L2=42μm.

2低RCS棋盘型结构设计与数值仿真

根据以上的基本理论，对AMC结构单元进行优化，尽可能在更宽频段实现反射相位差在180度左右.图2(a)为优化设计太赫兹棋盘型结构示意图，为AMC1与AMC2两种结构组成，该结构大小为2400μm×2400μm. 整个单元分别由金属膜-聚酰亚胺薄膜-AMC超表面三层组成.金膜的厚度为200nm，聚酰亚胺的厚度为40(m，聚酰亚胺的介电常数为3.1，介电损耗为0.05. AMC1与AMC2分别为不同尺寸的耶路撒冷十字型单元组成，两个相邻的耶路撒冷十字型单元间距p=120μm.为了表征棋盘型结构的特性，首先利用CST Microwave Studio软件计算AMC1与AMC2的反射相位以及相位差与频率的关系，如图3所示.从图中看出，在0.76 THz-1.27 THz 之间，反射相位差在143度-217度之间，因此该结构可以实现宽频段RCS的缩减.

图3　 AMC1与 AMC2的反射相位以及相位差与频率的关系

图4　电磁波垂直入射时，不同频率的远场分布

为了更直观的观察棋盘型结构的远场散射场，在垂直入射情况下，对所设计的结构远场RCS进行了不同频率计算仿真，如图4所示. 从图中看出，在f=0.8THz和 f=1.2THz处，远场在法向相消，产生了对称的四个波束，利用能量守恒原理，每束散射波的能量很小从而实现RCS缩减.在f=0.65THz和 f=1.4THz处，远场在法向不能相消，该频率点不能实现RCS缩减.从前面的理论分析可知，f=0.8THz和 f=1.2THz这两个频率点的反射相位差在180度左右，而f=0.65THz和 f=1.4THz这两个频率点的反射相位差远离180度.通过数值模拟与理论分析可知，两者基本一致.

图5　电磁波垂直入射时，棋盘型结构相对于同尺寸金属板的RCS缩减量

为了进一步表征宽频段RCS的缩减特性，计算了电磁波垂直入射时，棋盘型结构相对同尺寸金属板的RCS缩减量与频率的关系，如图5所示.从图5看出，RCS缩减量超过10 dB的带宽范围为0.73-1.26THz，相对中心频率为53%，具有宽带特性.该宽带特性与理论计算的反射相位差为180±30度之间带宽一致.

3结论

本文通过两种结合的AMC结构即棋盘结构实现了宽频段RCS的缩减.两种AMC结构基于耶路撒冷十字型结构，通过优化单元尺寸，两种结构的反射相位差在宽频段范围内差接近180度，法线的反射波相消，实现了RCS缩减超过10 dB的带宽范围相对中心频率为50%.理论分析与数值模拟结构一致. 总之，设计的新型棋盘型结构是一种有效的柔性宽带后向RCS缩减结构，在太赫兹雷达隐身等方面具有重要的意义.

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[责任编辑：闫昕]

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