周期性结构非正弦波散射机理及探测方法研究

Since the targets and materials of periodic structure or containing periodic structures, such as the antenna arrays, the frequency selective surfaces (FSS) and artificial electromagnetic materials, play an important role in various types of electromagnetic wave surveillance and detection systems, their scattering properties have a significant impact on the detectability of the overall target. The current studies mainly focus on the frequency domain. However, the transient, fast-changing, sputtering and other nonsinusoidal wave can track its interaction with the objects from the temporal causality. Therefore, it opens a possibility that the physical information of the target can be extracted from its scattering waveform, leading to the failure of achieving the originally designed characteristics, such as the loss of stealth and may thus develop a new detection technique utilizing the nonsinusoidal wave instead. The present project will carry a research on the scattering mechanism and properties of the target under the interaction with the transient electromagnetic wave, the fast-changing electromagnetic wave and the sputtering electromagnetic wave generated by the truncation of the conventional sinusoidal wave, including the ordinary structure, the antenna array, the FSS, the artificial electromagnetic materials and the objects covered by the FSS and the artificial materials. Meanwhile, the study also will touch upon the detection techniques of extracting the structural information from the scattered waveform of the nonsinusoidal wave. The project will further improve the scattering theory, which is of great significance in exploring the new unconventional detection techniques, assessing the performance of the existing the periodic electromagnetic structure and guiding the broadband design of the periodic structure as well.

周期性结构或包含周期性结构的目标和材料，如天线阵列、频率选择表面(FSS)、人工电磁材料等，在各类电磁波侦察和探测系统中发挥着重要作用，其散射特性对目标整体的可探测性具有非常重要的影响，目前的研究工作主要集中于频域。瞬变、快变、溅射等非正弦波能够从时间因果上追踪其与物体的相互作用过程，因而有可能从其散射波形中提取出目标的内部结构信息，从而使得原本希望的特性、如隐身等丧失，并可能由此发展新的非正弦波探测技术。本项目将对瞬变电磁波、快变电磁波以及正弦波被截断产生的溅射电磁波作用下、目标的散射机理和散射特性进行研究，包括一般目标、天线阵列、FSS、人工电磁材料、覆盖有FSS和人工材料的目标等；同时研究基于非正弦波散射波形中目标结构信息提取的非正弦波探测方法。本项目的研究将进一步完善电磁波散射理论，对探索新的非常规目标探测方法、评估现有周期性电磁结构性能、以及指导宽带周期性结构设计都具有重要意义。

周期性结构，如天线阵列、频率选择表面(FSS)、人工电磁材料等，在各类电磁波探测系统中起着重要作用，其散射特性对其可探测性具有重要的影响。目前的研究工作主要集中于频域。然而瞬变和时域溅射等非频域方法,能够能激发出周期性结构内不同部分的响应，这些响应与稳态下的频域响应可能差别很大，因而可能使原来具有频域隐身特性的目标丧失隐身特性。本项目围绕瞬变电磁场和基于脉冲调制正弦波作用于周期性结构时的瞬变及时域溅射响应开展研究，希望能由此发展出一类新的非正弦波周期性结构目标的探测技术。本项目的主要研究工作及取得的创新成果包括：1）研究了高斯型脉冲电磁波正向入射到偶极子阵列时的后向时域散射特性，探索了后向散射波形与阵列结构间的关系；采用等效电路法研究了缝隙阵列的时域反射特性，分析了缝隙等效电容对后向散射电场波形的影响，实际测量了缝隙阵列的时域散射特性。2）提出并用实验方法验证了周期性结构存在电磁波时域溅射现象的预想，从机理上进行了深入研究，揭示了电磁波溅射现象与结构之间的内在关系。3）以缝隙阵列为例，深入研究了频域低散射阵列的时域溅射效应及其规律，为探测具有带内低散射截面目标提供了理论基础。4）构建了非正弦波散射及脉冲调制正弦波时域溅射的实验研究系统，进行了系列实验研究，获得了重要实验数据。5）对蘑菇型EBG加载的微带天线进行了低散射特性和时域溅射效应研究，为采用时域溅射方法检测这类目标提供了理论支持。6）提出了一种新型复合贴片天线设计思路，可在保持天线小型化的同时自身具有带内低散射特性。本项目的研究对探索新的非常规目标电磁波探测方法、评估现有周期性结构电磁波散射性能、指导宽带周期性结构设计具有重要意义。发表和即将发表论文21篇，其中2篇论文即将在本领国际权威刊物IEEE Trans on AP上发表，做国际会议大会报告1次。项目执行期间，获授权专利2项，申请专利项5；培养博士生8名，硕士生16名。