CN104714218B - 一种宽频段雷达散射截面缩减的太赫兹编码超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型宽频段雷达散射截面缩减的柔性太赫兹2bit编码超表面；包括步骤：利用电磁场软件进行对“00”，“01”，“10”，“11”四种元素进行设计结构形状及各个参数；在优化结构参数上，优化一种实现太赫兹宽带非定向散射，即漫反射的2bit编码电磁超表面；在优化2bit编码超表面基础上，在硅片上进行涂覆所需厚度的聚酰亚胺薄膜；在聚酰亚胺膜上利用传统的微加工技术制备所需的编码超表面金属结构，在制备2bit编码超表面基础上去除硅片，在去除硅片的基础上，在无金属结构的另一面聚酰亚胺薄膜上蒸发所需厚度的金薄膜；实现了太赫兹宽带雷达散射截面的缩减，模拟和实验结果表明在0.66‑1.26THz范围内，可将雷达散射截面的所减量达到10dBsm以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽频段雷达散射截面缩减的太赫兹编码超表面，特别涉及一种实现太赫兹宽频段雷达散射截面缩减的新型超表面。
背景技术
太赫兹波具有宽带性、低能性、穿透强等特点，在高空间分辨率、军用雷达、高灵敏探测等方面显现出广阔的应用前景。在这些应用中不仅需要性能稳定的太赫兹辐射源和探测器，同时需要各种功能的太赫兹器件调控太赫兹波的反射、散射、传输等特性，特别是在军事雷达隐身等方面。
为了实现雷达隐身，主要通过降低目标雷达回波的信号。衡量目标雷达回波信号能力强弱的物理量为雷达散射截面。缩减雷达散射截面(被吸收或者低散射)的办法主要有完美吸收器、非定向散射特性、新型吸波涂层材料(铁氧体、导电高分子等)。利用完美吸收器实现雷达缩减的基本原理是电磁波的能量被超表面吸收，温度高的超表面有可能被远红外探测器探测到。另外，超表面吸收器目前仍存在带宽窄等缺陷，特别是太赫兹波段，利用多层超材料可以拓宽频段的带宽，但是难以加工。对于利用新型吸波涂层材料减小雷达散射截面，在太赫兹波段很难有响应得涂层材料。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种利用非定向散射特性实现太赫兹波段宽频段雷达散射截面的缩减。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种新型太赫兹宽频段雷达散射截面缩减的2bit编码超表面的设计方法，包括如下步骤：
(1)利用电磁场软件设计2bit编码超表面的“00”，“01”，“10”，“11”四种元素的结构形状以及相应的结构参数；
(2)利用“00”，“01”，“10”，“11”四种元素优化一种2bit编码超表面；
(3)用丙酮、酒精和去离子水超声清洗硅基片，并采用多次旋转涂法甩粘度为3600厘泊的聚酰亚胺溶液到硅基片上并进行固化，得到厚度为40μm的聚酰亚胺膜；
(4)在所述聚酰亚胺膜上涂覆光刻胶LOR并烘干；
(5)在所述光刻胶LOR上涂覆光刻胶AZ1500并烘干；
(6)利用传统的紫外曝光技术、热蒸发技术制备出所需的金属图形；
(7)去除基片：将基片和聚酰亚胺薄膜分离，制备出柔性图形；
(8)在柔性聚酰亚胺薄膜无金属结构一面，利用热蒸发蒸200nm厚的金薄膜；
(9)利用宽频太赫兹时域光谱雷达技术测试设计的编码超表面的特性；
(10)利用雷达散射截面的相关公式，计算出金属圆板和覆盖了柔性编码超表面的雷达散射截面，并分析雷达散射截面的缩减量与频率的关系。
进一步的，所述步骤(1)中，利用电磁场软件设计“00”，“01”，“10”，“11”四种元素，四种元素的结构形状简单，易于加工，无极化特性。为了利用紫外曝光技术结构的参数最小值大于3微米，便于克服紫外衍射极限。另外，这四种元素的相位为0度，±90度，±180度，±270度。实际在设计的时候，优化结构参数和形状，实现“01”，“10”，“11”元素与“00”元素反射相位差分别为90度，180度，270度。
进一步的，所述步骤(2)优化依据：编码超表面将金属目标特征性极强的反射峰打散成一个无规律、杂乱的波，实现漫反射，达到雷达散射截面的减小。
进一步的，所述步骤(3)采用旋转涂法甩粘度为3600厘泊的聚酰亚胺溶液并进行固化，得到厚度为40μm的聚酰亚胺膜。为了得到厚度均匀的聚酰亚胺溶液，每次的厚度最后大约为8微米，因此40μm厚的聚酰亚胺薄膜必须采用多次旋转涂法得到。
进一步的，所述步骤(4)中的烘干温度为150℃，时间5分钟；所述步骤(5)中的烘干温度不超过90℃，时间10分钟。
进一步的，所述步骤(7)中，用HF酸溶液浸泡涂覆聚酰亚胺膜的基片，为了更容易剥离，在硅基片上边蒸100nm厚的二氧化硅。
有益效果：本发明实现了一种柔性2bit编码超表面，该表面是利用非定向散射特性，实现了宽频带雷达散射截面的缩减。相比利用多层电磁超表面，易于加工，减少成本，重量轻等优势。相比利用太赫兹吸收器实现雷达散射截面缩减，无热效应。而且太赫兹吸收器目前仍存在带宽窄等缺陷，宽频段雷达散射截面缩减目前很少进行相关报道。另外，2bit编码超表面的“00”，“01”，“10”，“11”四种元素，结构形状简单，易于加工，无极化特性。中间隔离层聚酰亚胺，利用旋涂法得到，优势根据设计的参数进行灵活改变。
附图说明
图1(a)为太赫兹柔性2bit编码超表面正视图；图1(b)为太赫兹柔性2bit编码超表面侧视图(c)2bit编码超表面“00”，“01”，“10”，“11”四种元素(d)四种元素组成2bit编码超表面(e)“00”，“01”，“10”，“11”四种元素的反射相位与频率的关系；
图2为不同频率处太赫兹2bit编码超表面的三维远场散射图(a)0.8THz(b)1.0THz(c)1.2THz(d)1.4THz；
图3为太赫兹柔性2bit编码超表面显微镜照片；
图4为垂直入射时，编码电磁超表面相对于金属板的雷达散射截面缩减量与频率的关系。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一、设计太赫兹柔性2bit编码电磁超表面
为设计一种实现太赫兹宽频段雷达散射截面缩减的电磁超表面，研究了各种各样的超表面结构。但是他们很少考虑到集成化、制作的难易程度以及加工成本等问题。基于这些，设计了一种单层的柔性太赫兹宽通带编码2bit电磁超表面。为确定该结构的具体参数，先用基于时域积分算法的电磁场软件CST进行大量模拟仿真优化，最后根据目的和微加工的条件确定最佳具体参数。最后利用非定向散射特性优化设计的2bit太赫兹电磁超表面的示意图如图1所示。该编码超表面的整体结构为金-聚酰亚胺薄膜-金属结构，大小为2400μm*2400μm。包括3层，聚酰亚胺薄膜主要做隔离层作用，聚酰亚胺的厚度为40微米。2bit编码超表面为“00”，“01”，“10”，“11”四种元素组成，这四种元素的相位为0度，±90度，±180度，±270度。实际在设计的时候，优化结构参数和形状，实现“01”，“10”，“11”元素与“00”元素反射相位差分别为90度，180度，270度。“00”，“01”，“10”三种元素是由不同长度，不同宽度的金-聚酰亚胺薄膜-双十字线结构，周期p＝140μm。这三种元素的宽度w和长度L的具体参数分别为w＝16μm,L＝120μm(“00”元素)。w＝8μm,L＝86μm(“01”元素)；w＝8μm,L＝56μm(“10”元素)；“11”元素为金-聚酰亚胺薄膜。整体编码超表面的单元为20阵元*20阵元组成，为一种非周期的排列方式，如图1(d)所示，为10000100..../11011110......。
不同元素的结构为双十字线组成，选择这种结构主要原因在于金属结构的形状比较简单，制作比较容易，并且由于该结构的对称性电场极化方向不敏感，实现无极化雷达散射截面缩减特性。利用这四种元素优化编码超表面的依据是编码超表面将金属目标特征性极强的反射峰打散成一个无规律、杂乱的波，实现漫反射，达到雷达散射截面的减小。图2为不同频率处太赫兹2bit编码超表面的三维远场散射图。从图2看出，编码超表面使入射电磁波发生漫反射，反射的电磁波为水花状形状，从0.8-1.4THz处的反射波都为无规律，杂乱的波，进一步表明该表面为宽频段太赫兹雷达散射缩减效果。
二、太赫兹柔性2bit编码电磁超表面加工制作及表征
按照如图1(a)和图1(d)模拟的太赫兹柔性2bit编码电磁超表面结构参数进行实际制作，首先用L-edit软件将图1的结构画出掩膜板文件，再做成掩膜板。对于该样品的实际制作，过程如下：
(1)甩40μm厚聚酰亚胺膜
首先清洗硅基片，硅片的直径为5cm,分别用丙酮、酒精、去离子水超声清洗，时间各为3分钟，去除表面的有机污染物。使得基片抛光面洁净。然后在90度的温度下烘烤5分钟。
然后甩粘度为3600(厘泊)聚酰亚胺溶液到清洗干净的硅片上，转速为600/1600rpm，时间为6/60秒，利用此条件重复甩聚酰亚胺溶液5次。
前4次每次固化2小时，即120℃1小时、200℃1小时。
第5次，进行固化5小时：即120℃1小时、200℃1小时，230℃1小时、250℃2小时。
经过上述甩5次粘度为3600(厘泊)聚酰亚胺溶液以及固化，就可以得到为40μm聚酰亚胺薄膜。
(2)甩两层光刻胶
在聚酰亚胺薄膜上，甩两层光刻胶LOR与AZ1500，先甩下层光刻胶LOR，转速分别为600/4000rpm，时间为6/40秒，烘烤温度150℃，时间为5分钟。再甩上层光刻胶AZ1500，转速分别为600/6000rpm，时间为6/30秒，烘烤温度为90℃，时间为10分钟。
(3)利用传统的紫外曝光技术、热蒸发技术制备出所需的金属图形；
首先调整曝光时间16秒，曝光完以后接着用正胶显影液进行显影，显影时间为15秒，然后进行后烘，烘烤温度为90℃，时间为10分钟。利用热蒸发蒸200nm厚的金薄膜，利用剥离技术得到所需的金属图形。
(4)硅基底剥离；
把硅基底的聚酰亚胺薄膜结构浸泡在浓度为40％的HF溶液中，时间大约为15分钟，小心把聚酰亚胺膜从硅基底剥离掉，在90℃的温度下固化10分钟左右。
(5)在柔性聚酰亚胺薄膜无金属结构一面，利用热蒸发蒸200nm厚的金薄膜；
(6)利用宽频太赫兹时域光谱雷达技术测试设计的编码超表面的特性；
(7)利用雷达散射截面的相关公式，计算出金属圆板和覆盖了柔性编码超表面的雷达散射截面，并分析雷达散射截面的缩减量与频率的关系。
经过以上程序，就可以得到如图3所示宽频带雷达散射截面减小的太赫兹编码超表面，整个编码超表面结构直径大小为5cm。该方法制作的宽频带雷达散射截面减小太赫兹编码超表面相比利用多层超材料制作宽带雷达散射截面减小而言，更易加工，节省材料。
三、太赫兹宽频段雷达散射截面缩减编码超表面的实验结果及讨论
图4为在室温干燥(湿度小于4％)的氮气环境下，用宽频太赫兹时域雷达系统光谱测量编码超表面相对于金属表面的雷达散射截面的缩减量，以及相应的数值模拟结果。
首先利用太赫兹时域雷达系统测量了直径为2.5cm的金属球，接着测量了直径为5cm的金属圆板，最后测量了覆盖编码电磁超表面样品后的太赫兹时域光谱。对测量的数据计算了金属圆板和覆盖了编码超表面的雷达散射截面(RCS)，主要分析了平面波垂直入射电磁超表面与金属圆板相比较RCS缩减量。从图4中可以看出，对于垂直入射方向的雷达散射截面，在0.66-1.26THz之间，电磁超表面相比于金属板的雷达散射减小量都在10dBsm以上，缩减量最大值约为20dBsm。这说明我们的样品是一种有效的宽带后向RCS缩减结构,在雷达隐身技术中具有一定的应用前景。实验结果与模拟结果基本一致，进一步证明了我们工艺的可行性。
总之，利用非定向散射特性设计的太赫兹宽频段雷达散射截面缩减的2bit编码超表面，主要体现在较高的带宽特性；与多层电磁超表面实现宽带特性相比，单层金属结构体积更小，重量轻，隔离层的厚度以及金属结构参数可以根据实际需要进行设计优化；与采用吸收器办法实现雷达散射截面缩减相比，不需要考虑提高超表面的温度而带来其它的副效应。该柔性编码超表面还可以弯曲在任意形状的物体上，与其它器件共形，更能进一步满足实际需求。该编码超表面也可用于其它的太赫兹功能器件，更好的发展太赫兹的实际应用。
Claims (7)
1.一种新型宽频段雷达散射截面缩减的太赫兹编码超表面的设计方法，包括如下步骤：
(1)利用电磁场软件设计2bit编码超表面的“00”，“01”，“10”，“11”四种元素的结构形状以及相应的结构参数，所述“00”元素、所述“01”元素和所述“10”元素分别是不同长度，不同宽度的金-聚酰亚胺薄膜-双十字线结构，所述“11”元素为金-聚酰亚胺薄膜；
(2)利用“00”，“01”，“10”，“11”四种元素优化一种2bit编码超表面；
(3)用丙酮、酒精和去离子水超声清洗硅基片，并采用多次旋转涂法甩粘度为3600厘泊的聚酰亚胺溶液到硅基片上并进行固化，得到厚度为40μm的聚酰亚胺膜；
(4)在所述聚酰亚胺膜上涂覆光刻胶LOR并烘干；
(5)在所述光刻胶LOR上涂覆光刻胶AZ1500并烘干；
(6)利用传统的紫外曝光技术、热蒸发技术制备出所需的金属图形；
(7)去除基片：将基片和聚酰亚胺薄膜分离，制备出柔性图形；
(8)在柔性聚酰亚胺薄膜无金属结构一面，利用热蒸发蒸200nm厚的金薄膜；
(9)利用宽频太赫兹时域光谱雷达技术测试设计的编码超表面的特性。
2.根据权利要求1所述一种新型宽频段雷达散射截面缩减的太赫兹编码超表面的设计方法，所述步骤(1)中，其特征在于：“01”，“10”，“11”这三种元素与“00”元素的相位差分别为90度，180度，270度。
3.根据权利要求1所述一种新型宽频段雷达散射截面缩减的太赫兹编码超表面的设计方法，所述步骤(2)中，其特征在于：编码超表面将金属目标特征性极强的反射峰打散成一个无规律、杂乱的波，实现无定向散射特性，实现雷达散射截面的减小。
4.根据权利要求1所述一种新型宽频段雷达散射截面缩减的太赫兹编码超表面的设计方法，所述步骤(3)中，其特征在于为了得到厚度比较均匀的聚酰亚胺薄膜，采用多次旋转涂法甩粘度为3600厘泊的聚酰亚胺溶液并进行固化，得到厚度为40μm的聚酰亚胺膜，而且，在旋转聚酰亚胺溶液之前，把冷却的聚酰亚胺溶液放置在室温下半个小时。
5.根据权利要求1所述一种新型宽频段雷达散射截面缩减的太赫兹编码超表面的设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中的烘干温度为150℃，时间5分钟；所述步骤(5)中的烘干温度不超过90℃，时间10分钟。
6.根据权利要求1所述一种新型宽频段雷达散射截面缩减的太赫兹编码超表面的设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，采用旋转涂法甩粘度为3600厘泊的聚酰亚胺溶液并进行在不同的温度情况下固化，得到厚度为40μm的聚酰亚胺膜，固化温度条件为第一次涂完胶先在120℃和200℃时条件下分别烘烤1小时，接着涂胶固化，厚度达到所需的条件以后，最后烘烤在120℃、200℃、230℃各烘烤1小时，250℃烘烤2小时。
7.根据权利要求1所述一种新型宽频段雷达散射截面缩减的太赫兹编码超表面的设计方法，其特征在于，用HF酸溶液浸泡涂覆聚酰亚胺膜的基片，并且为了更容易把聚酰亚胺膜从基片上剥离掉，在硅基片上蒸100nm的二氧化硅。
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