1、文章编号：1002-2082(2023)01-0006-11基于双尺度 4 分离层优化的石墨烯太赫兹宽带吸波结构檀立刚，骆明伟，李捷（四川九洲电器集团有限责任公司技术创新中心，四川绵阳621000）摘摘 要：要：为实现对未来远程太赫兹雷达的高效对抗与隐身，针对典型太赫兹雷达工作频率设计了一种石墨烯太赫兹宽带吸波结构。宽带吸波结构以表层金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层为基本吸波结构单元，利用遗传算法对双尺度基本吸波结构单元进行 4 分离层优化设计，确定宽带吸波结构的各层结构参数。仿真结果表明：宽带吸波结构在 0.138THz2THz 频率范围内吸收效率优于 80%，在 0.157THz2TH
2、z 频率范围内吸收效率优于 97.46%，典型太赫兹雷达工作频率处吸收效率均优于 92.27%，满足太赫兹雷达对抗与隐身要求。关键词：关键词：太赫兹雷达；石墨烯；隐身对抗；宽带吸收中图分类号：TN202;O43文献标志码：ADOI：10.5768/JAO202344.0101002Wide-band terahertz absorbing structure with graphene based ondual-scale four separation layers optimizationTANLigang，LUOMingwei，LIJie（TechnologicalInnovationC
3、enter,SichuanJiuzhouElectricGroupCo.,Ltd.,Mianyang621000,China）Abstract：Torealizehigh-efficiencycountermeasuresandstealthforfutureremoteterahertzradar,awide-bandterahertzabsorbingstructurewithgraphenewasdesignedfortypicaloperatingfrequenciesofterahertzradar.Thebasicabsorbingstructureunitofwide-banda
4、bsorbingstructurewasthesurfacemetallayer/graphenelayer/dielectriclayer/bottommetallayer,andthedual-scalefourseparationlayersweredesignedandoptimizedtocertainthestructureparametersofeachlayerusingthegeneticalgorithm.Simulationresultsshowthattheabsorptionefficiencyofwide-bandabsorbingstructureisbetter
5、than80%inthefrequencyrangeof0.138THz2THz,97.46%inthefrequencyrangeof0.157THz2THz,and92.27%atthetypicalterahertzradaroper-atingfrequency,whichsatisfythedemandsofcountermeasuresandstealthforterahertzradars.Key words：terahertzradar；graphene；stealthcountermeasure；wide-bandabsorption引言太赫兹雷达具有透射性好、方向性强、频谱
6、宽、分辨率高等特点1，有望成为在未来战争中改变战争格局的颠覆性技术，尤其是在对四/五/六代隐身战机的反隐身探测方面将发挥重大作用，受到各国政府高度重视和广泛关注，纷纷将太赫兹技术列入颠覆性技术和战略需求。自 20 世纪 90年代起，美国先后开展了 0.14THz、0.22THz、0.58THz、0.67THz、1.14THz、1.57THz 等工作频段的太赫兹雷达研究，验证了太赫兹雷达的可行性，并不断提升太赫兹雷达的作用距离2-3。2017 年，DARPA 开发并报道了视频合成孔径雷达（ViSAR），收稿日期：2022-04-22；修回日期：2022-06-28基金项目：某纵向预研项目(201
7、9408XXXX)作者简介：檀立刚（1983），男，博士，高级工程师，主要从事红外探测与对抗、太赫兹雷达与对抗、光学隐身超材料等研究。E-mail：通信作者：骆明伟（1980），男，硕士，高级工程师，主要从事电子对抗、雷达及对抗、光电对抗等研究。E-mail：第44卷第1期应用光学Vol.44No.12023年1月JournalofAppliedOpticsJan.2023工作频段 0.23THz，作用距离可达 10km，成功实现了可透视云层的视频高分辨率成像和机动定位等功能。2018 年，DARPA 进一步开发出了小型化、低成本新型太赫兹成像雷达（ASTIR），具有高帧率、高分辨率、非运动成
8、像能力，可实现广域视频监视4-5。随着太赫兹技术的进步，太赫兹雷达已逐步应用于空间/临近空间平台，太赫兹雷达大气远程探测已不再遥不可及6-7。纵观太赫兹雷达发展历程，太赫兹雷达典型工作频率有 0.14THz、0.22THz、0.58THz、0.67THz、1.14THz 和 1.57THz，主要集中在 0.1THz2THz低频波段。鉴于未来远程太赫兹雷达对现有装备构成的潜在巨大威胁，如何实现对太赫兹雷达的高效对抗与隐身成为亟待解决的现实问题。超材料吸波结构的出现与快速发展为太赫兹雷达对抗与隐身提供了可行的技术途径，有望成为太赫兹雷达对抗与隐身的有效手段。现有多数超材料吸波结构仅对单一频率较窄波
9、段范围内实现近完美吸收，无法满足太赫兹雷达对抗与隐身所需的宽带和高吸收效率要求，超材料宽带吸收结构设计又往往比较复杂，已成为超材料吸波结构研究的热点和难点。在多波段或宽波段吸收器研究方面，Tao 等人8通过优化设计，实现了一种在 1.4THz和 2.9THz 处理论吸收率达 99.99%的双波段太赫兹吸收器，在 1.4THz 处吸收率为 85%，在 3.0THz处吸收率为 94%。Wen 等人9设计了一种双波段太赫兹吸收器，在 0.50THz 和 0.94THz 处吸收率可达 99%。Ma 等人10设计了一种太赫兹双波段吸收器，在 2.7THz 和 5.2THz 处吸收率约 70%。Shen
10、等人11-12设计了一种太赫兹波段 3 波段吸收器，在 0.5THz，1.03THz 和 1.71THz 处吸收率优于 96%。邹涛波等人设计了一种多波段太赫兹吸收器，在4.5THz5.7THz 波段内吸收率优于80%13。Cui 等人14实验验证了一种长波红外宽波段吸收器，实现了 7m13m 波长范围的宽波段近完美吸收。Cui 等人15设计了一种中波红外宽波段吸收器，在 3m5.5m 波长范围内垂直入射时吸收率大于 95%。Ding 等人16设计了一种金字塔宽带吸收器，在 7.8GHz 到 14.7GHz 范围内，垂直入射时吸收率大于 90%。在石墨烯动态调控方面，顾钰等人17设计了一种太赫
11、兹宽带动态调节吸收器，实现了吸收率优于 90%，频率范围从 2.04THz3.53THz 和3.15THz4.24THz 连续动态调节。Xiao等人18设计并验证了一种基于石墨烯-垂直排列碳纳米管杂化物的柔性超宽带太赫兹吸波器，在0.2THz3.0THz 范围内平均功率吸收率为 98.6%。Liu 等人19提出了一种基于二氧化钒-石墨烯混合结构的双波段可调谐吸波器，通过改变二氧化钒金属或介电状态以及调节石墨烯费米能级，成功实现了在0.4THz 处吸收率45.3%94.5%和1.0THz处吸收率 31%96.3%的动态调控。Zhang 等人20设计了一种具有波段切换能力的超材料完美吸收器，实现了
12、 500nm1700nm 波长范围宽带吸收和 589nm、1097nm 处双波长窄带吸收之间的波段切换，在 500nm1700nm 范围内宽带吸收率优于 93%，在 589nm 和 1097nm 处吸收率 100%，具备极化独立性和角度不敏感性。Bao 等人21利用图案化石墨烯和多层膜系结构设计了一种具备调控能力的多波段石墨烯超材料吸波器，实现了在 0.139THz、0.415THz、0.685THz 和 0.931THz处的完美吸收，分析了石墨烯调控效能。Bao 等人22在多层膜系上对石墨烯层图案化实现了 4 波段角度不敏感的石墨烯超材料吸波器，在 3.67THz，4.73THz，5.90T
13、Hz 和 6.94THz 处具备角度不敏感性的窄带完美吸收效能。Wang 等人23设计了峰值可调控的石墨烯基多腔对波导系统，在 5m8m 红外波段实现了多吸收峰值的有效调控。综上所述，目前太赫兹宽带超材料吸波器结构大多集中在太赫兹高频波段，存在高吸收率频率范围展宽较小、高吸收不连续等问题，典型太赫兹雷达工作频段范围内的宽带超材料吸波器较少，石墨烯可作为调控手段实现对吸波带宽的有效动态调控。本文针对典型太赫兹雷达工作频率范围0.1THz2THz，设计了一种石墨烯太赫兹宽带吸波结构，具有对 0.1THz-2THz 范围内入射太赫兹波连续吸收效率优于 80%的吸波效能，满足太赫兹雷达对抗与隐身需求。
14、1 宽带吸波结构设计传统超材料吸波结构通常为金属/介质/金属3 层结构形式，只有当表面金属层结构、介质层和底面金属反射层构成的等效谐振电路的等效阻抗与自由空间阻抗匹配时，才可实现特定频率附近窄带近完美吸收。超材料宽带吸收主要利用多吸收峰的叠加吸收效应，由不同尺寸的表面层金属结构在表面等离子元作用下实现多峰吸收。多峰吸收的叠加能否满足设计要求取决于多吸收峰的吸收带宽，,每个吸收峰的吸收带宽又与介质层的应用光学2023，44（1）檀立刚，等：基于双尺度 4 分离层优化的石墨烯太赫兹宽带吸波结构7厚度紧密相关。因此，要达到宽带连续吸收性能要求，需要开展多尺度多分离层结构设计来实现。1.1 基本吸波结
15、构单元设计为达到吸波频率范围动态可调控目的，在设计基本吸收结构单元时，在传统的金属/介质/金属3 层结构基础上，表面金属层和介质层中间插入均匀单层石墨烯层作为调控层，从而构成金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层的 4 层基本吸波结构单元，如图 1 所示。Tw空气间隙金属结构(a)单元结构俯视图表面金属结构层上层石墨烯层中层介质层底层金属层15 nmt2 m(b)单元结构侧试图图 1 金属/石墨烯/介质/金属 4 层基本吸波结构单元示意图Fig.1 Schematic diagram of four layers basic absorbingunit of metal/graphene/die
16、lectric/metal()=12p/(2+i)p基本吸波结构单元的表面金属层结构采用正方环形，材质选用镍镉合金，厚度为 15nm，色散模型使用金属 Drude 模型：，等离子体频率和电子碰撞频率 分别为 2.901015rad/s 和 1.651014Hz。上层的均匀单层石墨烯层厚度为 0.334nm，由于太赫兹波最短波长为 30m，远远大于石墨烯层厚度，仿真时一般将石墨烯层厚度设置为 1nm，不会影响仿真结果。中间介质层采用聚酰亚胺，因为大部分非金属材料在太赫兹波段损耗均极低，介电常数设置为 3.5。底层金属反射层选用铝，厚度为 2m，电导率为 4107S/m17。在表面等离子元作用下，表面金属和底层金属层形成金属等效谐振电路，石墨烯层和底层金属层形成石墨烯等效谐振电路，2 个等效谐振电路并联形成金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层对应的等效谐振电路，如图 2 所示。LmCmCgCmLeLmLe图 2 等效谐振电路示意图Fig.2 Schematic diagram of equivalent resonance circuit下面详细阐述等效谐振电路参数推演方法24。1）表面金
