一種寬頻段雷達(dá)散射截面縮減的太赫茲編碼超表面的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種寬頻段雷達(dá)散射截面縮減的太赫茲編碼超表面，特別涉及一種實(shí)現(xiàn)太赫茲寬頻段雷達(dá)散射截面縮減的新型超表面。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波具有寬帶性、低能性、穿透強(qiáng)等特點(diǎn)，在高空間分辨率、軍用雷達(dá)、高靈敏探測(cè)等方面顯現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在這些應(yīng)用中不僅需要性能穩(wěn)定的太赫茲輻射源和探測(cè)器，同時(shí)需要各種功能的太赫茲器件調(diào)控太赫茲波的反射、散射、傳輸?shù)忍匦?，特別是在軍事雷達(dá)隱身等方面。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身，主要通過(guò)降低目標(biāo)雷達(dá)回波的信號(hào)。衡量目標(biāo)雷達(dá)回波信號(hào)能力強(qiáng)弱的物理量為雷達(dá)散射截面?？s減雷達(dá)散射截面(被吸收或者低散射)的辦法主要有完美吸收器、非定向散射特性、新型吸波涂層材料(鐵氧體、導(dǎo)電高分子等)。利用完美吸收器實(shí)現(xiàn)雷達(dá)縮減的基本原理是電磁波的能量被超表面吸收，溫度高的超表面有可能被遠(yuǎn)紅外探測(cè)器探測(cè)到。另外，超表面吸收器目前仍存在帶寬窄等缺陷，特別是太赫茲波段，利用多層超材料可以拓寬頻段的帶寬，但是難以加工。對(duì)于利用新型吸波涂層材料減小雷達(dá)散射截面，在太赫茲波段很難有響應(yīng)得涂層材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種利用非定向散射特性實(shí)現(xiàn)太赫茲波段寬頻段雷達(dá)散射截面的縮減。
[0005]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種新型太赫茲寬頻段雷達(dá)散射截面縮減的2bit編碼超表面，包括如下步驟:
[0006](I)利用電磁場(chǎng)軟件設(shè)計(jì)2bit編碼超表面的“00”，“01”，“10”，“11”四種元素的結(jié)構(gòu)形狀以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0007](2)利用“00”，“01”，“10”，“11”四種元素優(yōu)化一種2bit編碼超表面;
[0008](3)用丙酮、酒精和去離子水超聲清洗硅基片，并在硅基片上采用多次旋轉(zhuǎn)涂法甩粘度為3600厘泊的聚酰亞胺溶液并進(jìn)行固化，得到厚度為40 μ m的聚酰亞胺膜；
[0009](4)在所述聚酰亞胺膜上涂覆光刻膠LOR并烘干；
[0010](5)在所述光刻膠LOR上涂覆光刻膠AZ1500并烘干；
[0011](6)利用傳統(tǒng)的紫外曝光技術(shù)、熱蒸發(fā)技術(shù)制備出所需的金屬圖形；
[0012](7)去除基片:將基片和聚酰亞胺薄膜分離，制備出柔性圖形；
[0013](8)在柔性聚酰亞胺薄膜無(wú)金屬結(jié)構(gòu)一面，利用熱蒸發(fā)蒸200nm厚的金薄膜；
[0014](9)利用寬頻太赫茲時(shí)域光譜雷達(dá)技術(shù)測(cè)試設(shè)計(jì)的編碼超表面的特性；
[0015](10)利用雷達(dá)散射截面的相關(guān)公式，計(jì)算出金屬圓板和覆蓋了柔性編碼超表面的雷達(dá)散射截面，并分析雷達(dá)散射截面的縮減量與頻率的關(guān)系。
[0016]進(jìn)一步的，所述步驟(I)中，利用電磁場(chǎng)軟件設(shè)計(jì)“00”，“01”，“10”，“11”四種元素，四種元素的結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單，易于加工，無(wú)極化特性。為了利用紫外曝光技術(shù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)最小值大于3微米，便于克服紫外衍射極限。另外，這四種元素的相位為O度，±90度，±180度，±270度。實(shí)際在設(shè)計(jì)的時(shí)候，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和形狀，實(shí)現(xiàn)“01”，“10”，“11”元素與“00”元素在很寬的頻段范圍內(nèi)反射相位差分別為90度，180度，270度。
[0017]進(jìn)一步的，所述步驟(2)優(yōu)化依據(jù):編碼超表面將金屬目標(biāo)特征性極強(qiáng)的反射峰打散成一個(gè)無(wú)規(guī)律、雜亂的波，實(shí)現(xiàn)漫反射，達(dá)到雷達(dá)散射截面的減小。
[0018]進(jìn)一步的，所述步驟(3)采用旋轉(zhuǎn)涂法甩粘度為3600厘泊的聚酰亞胺溶液并進(jìn)行固化，得到厚度為40 μπι的聚酰亞胺膜。為了得到厚度均勻的聚酰亞胺溶液，每次的厚度最后大約為8微米，因此40 μπι厚的聚酰亞胺薄膜必須采用多次旋轉(zhuǎn)涂法得到。
[0019]進(jìn)一步的，所述步驟⑷中的烘干溫度為150°C，時(shí)間5分鐘；所述步驟(5)中的烘干溫度不超過(guò)90°C，時(shí)間10分鐘。
[0020]進(jìn)一步的，所述步驟(7)中，用HF酸溶液浸泡涂覆聚酰亞胺膜的基片，為了更容易剝離，在娃基片上邊蒸10nm厚的二氧化娃。
[0021]有益效果:本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種柔性2bit編碼超表面，該表面是利用非定向散射特性，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶雷達(dá)散射截面的縮減。相比利用多層電磁超表面，易于加工，減少成本，重量輕等優(yōu)勢(shì)。相比利用太赫茲吸收器實(shí)現(xiàn)雷達(dá)散射截面縮減，無(wú)熱效應(yīng)。而且太赫茲吸收器目前仍存在帶寬窄等缺陷，寬頻段雷達(dá)散射截面縮減目前很少進(jìn)行相關(guān)報(bào)道。另外，2bit編碼超表面的“00”，“01”，“10”，“11”四種元素，結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單，易于加工，無(wú)極化特性。中間隔離層聚酰亞胺，利用旋涂法得到，優(yōu)勢(shì)根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行靈活改變。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1(a)為太赫茲柔性2bit編碼超表面正視圖；圖1(b)為太赫茲柔性2bit編碼超表面?zhèn)纫晥D(c)2bit編碼超表面“00”，“01”，“10”，“11”四種元素(d)四種元素組成2bit編碼超表面(e) “00”，“01”，“10”，“11”四種元素的反射相位與頻率的關(guān)系；
[0023]圖2為不同頻率處太赫茲2bit編碼超表面的三維遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖(a) 0.8THz (b) 1.0THz (c) 1.2THz (d) 1.4THz ；
[0024]圖3為太赫茲柔性2bit編碼超表面顯微鏡照片；
[0025]圖4為垂直入射時(shí)，編碼電磁超表面相對(duì)于金屬板的雷達(dá)散射截面縮減量與頻率的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0027]一、設(shè)計(jì)太赫茲柔性2bit編碼電磁超表面
[0028]為設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)太赫茲寬頻段雷達(dá)散射截面縮減的電磁超表面，研宄了各種各樣的超表面結(jié)構(gòu)。但是他們很少考慮到集成化、制作的難易程度以及加工成本等問(wèn)題?；谶@些，設(shè)計(jì)了一種單層的柔性太赫茲寬通帶編碼2bit電磁超表面。為確定該結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)，先用基于時(shí)域積分算法的電磁場(chǎng)軟件CST進(jìn)行大量模擬仿真優(yōu)化，最后根據(jù)目的和微加工的條件確定最佳具體參數(shù)。最后利用非定向散射特性優(yōu)化設(shè)計(jì)的2bit太赫茲電磁超表面的示意圖如圖1所示。該編碼超表面的整體結(jié)構(gòu)為金-聚酰亞胺薄膜-金屬結(jié)構(gòu)，大小為2400 μ m*2400 μ m。包括3層，聚酰亞胺薄膜主要做隔離層作用，聚酰亞胺的厚度為40微米。2bit編碼超表面為“00”，“01”，“10”，“11”四種元素組成，這四種元素的相位為O度，±90度，±180度，±270度。實(shí)際在設(shè)計(jì)的時(shí)候，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和形狀，實(shí)現(xiàn)“01”，“10”，“11”元素與“00”元素在很寬的頻段范圍內(nèi)反射相位差分別為90度，180度，270度?！?0”，“01”，“10”三種元素是由不同長(zhǎng)度，不同寬度的金-聚酰亞胺薄膜-雙十字線結(jié)構(gòu)，周期ρ=140 μπι。這三種元素的寬度w和長(zhǎng)度L的具體參數(shù)分別為w = 16 μπι, L = 120 μηι(“00”元素)。w = 8 μπι, L = 86 μηι( “01” 元素);w = 8 μm, L = 56 μm( “ 10” 元素);“11” 元素為金-聚酰亞胺薄膜。整體編碼超表面的單元為20陣元*20陣元組成，為一種非周期的排列方式，如圖 1(d)所示，為 10000100..../11011110......ο
[0029]不同元素的結(jié)構(gòu)為雙十字線組成，選擇這種結(jié)構(gòu)主要原因在于金屬結(jié)構(gòu)的形狀比較簡(jiǎn)單，制作比較容易，并且由于該結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性電場(chǎng)極化方向不敏感，實(shí)現(xiàn)無(wú)極化雷達(dá)散射截面縮減特性。利用這四種元素優(yōu)化編碼超表面的依據(jù)是編碼超表面將金屬目標(biāo)特征性極強(qiáng)的反射峰打散成一個(gè)無(wú)規(guī)律、雜亂的波，實(shí)現(xiàn)漫反射，達(dá)到雷達(dá)散射截面的減小。圖2為不同頻率處太赫茲2bit編碼超表面的三維遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖。從圖2看出，編碼超表面使入射電磁波發(fā)生漫反射，反射的電磁波為水花狀形狀，從0.8-1.4THz處的反射波都為無(wú)規(guī)律，雜亂的波，進(jìn)一步表明該表面為寬頻段太赫茲雷達(dá)散射縮減效果。
[0030]二、太赫茲柔性2bit編碼電磁超表面加工制作及表征
[0031]按照如圖1 (a)和圖1 (d)模擬的太赫茲柔性