基于3-D结构的吸波式能量选择结构研究
作者： Lin Zhou, Zhongxiang Shen (会士, IEEE) 机构： 南洋理工大学，电气与电子工程学院，新加坡 发表期刊： IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 第69卷, 第9期, 2021年9月
一、 研究背景与目标
在现代电子战中，高功率电磁（High-Power Electromagnetic, EM）波能够干扰甚至烧毁通信与雷达系统，因此高功率电磁防护至关重要。近年来，一种名为能量选择表面/结构（Energy-Selective Surface/Structure, ESS）的新概念被提出。传统ESS通过集成频率选择表面（Frequency-Selective Surfaces, FSS）与非线性PIN限幅二极管（PIN Limiter Diodes），能在低功率入射下提供高效透波，而在高功率入射下通过强反射实现高屏蔽效能。尽管这一机制有效，但直接将高功率入射波强烈反射回自由空间在军事应用中极不可取，因为它会增大武器平台的雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS），从而暴露自身位置。因此，设计一种既能实现高屏蔽效能又能保持低反射的ESS成为迫切的需求。
已有研究尝试将ESS与吸波器集成，即频率选择吸波器（Frequency-Selective Rasorber, FSR），但其多采用二维（2-D）级联层状结构并依赖集总电阻（Lumped Resistor）进行吸波。这种方案的功率容量（Power-Handling Capacity）受限于集总电阻，无法满足高功率防护需求。尽管立体吸波材料（Cuboid Absorbing Material）拥有更高的功率容量，但在2-D结构中难以有效实现旁路功能。针对这一技术瓶颈，本文作者提出并验证了一种全新的三维（3-D）吸波式能量选择结构（Absorptive Energy-Selective Structure），旨在同时实现高功率电磁防护与低反射。
二、 研究设计与方法
为了同时实现低功率下高效透波、高功率下高屏蔽效能和低反射，研究者提出了一种由独立传输路径和吸收路径构成的3-D结构，本研究的工作频率点设定为3 GHz。
1. 总体设计理念与架构 研究者将整个结构设计为一个单极化单元，电力线沿yz平面入射。其核心是利用3-D结构构建两条独立的平行板波导（Parallel-Plate Waveguide, PPW）路径：一条用于信号传输，一条用于能量吸收。两条路径上各嵌入一个PIN二极管电路（二极管电路1和二极管电路2），负责根据入射波功率水平激活或旁路对应路径。 * 低功率状态： 二极管电路1呈现开路，激活传输路径，产生一个带通响应。同时，二极管电路2产生一个与带通频率同步的带阻谐振，旁路吸收路径。两者协同作用，在3 GHz实现高效传输，同时在带外提供吸波。 * 高功率状态： 随着入射功率增大，二极管逐渐导通。二极管电路1变为短路，阻断传输路径，实现高屏蔽。二极管电路2变为开路，激活吸收路径，吸收高功率入射波从而降低反射。
2. 传输路径的详细设计 传输路径由三段PPW构成，形成一个低-高-低阻抗的阶跃阻抗谐振器（Stepped-Impedance Resonator, SIR），以降低整体结构的高度。中间段高度（h3）约为单元总高度的四分之一，为吸收路径留出空间。三段PPW由两块印刷电路板（Printed Circuit Boards, PCBs）及一个金属结构构建。PCB基板采用厚度1.524mm、相对介电常数3.55的RO4003C材料。二极管电路1被集成在第一块PCB上，由一个8.6 nH的集总电感（Lumped Inductor）与一个型号为SMP1330的PIN限幅二级管并联组成。电感不仅参与形成带通响应，还为二极管提供直流回路以产生自偏压。研究者通过等效电路模型（采用奇偶模分析方法）和全波仿真优化了传输路径的尺寸，最终在总长度仅为13.048 mm的紧凑尺寸下，于3 GHz处实现了高性能的二阶透波窗口。
3. 吸收路径的详细设计 吸收路径同样由两块PCB和部分填充有Eccosorb FGM-U-125型号商用立体吸波材料的PPW构成。该材料在2至12 GHz范围内具有良好吸收性能，耐温范围-40°C至120°C，功率容量远高于集总电阻。二极管电路2被设计在第一块PCB上，由SMP1330二极管与FSS级联构成。等效电路模型分析表明，二极管在低功率下关断时表现为电容，与FSS的LC回路共同产生带阻响应；在高功率下导通时，则短路旁路部分电路，使整个吸收路径形成一个宽带的吸波频带。最终的优化结果显示，该吸收路径在低功率时于3 GHz处呈现高反射，而其两侧各有一个吸收带；在高功率导通时，可在2.49至3.41 GHz范围内提供低于-10 dB的反射。
4. 集成设计与非线性协同仿真 由于阻抗匹配考虑，一个ESS单元由两个传输路径和一个吸收路径组合构成（w2 = 2w1）。全波仿真显示，在低功率入射下，该集成单元在3 GHz处的透射系数（$|S{21}|$）为-0.69 dB，反射系数（$|S{11}|$）在2.48至3.85 GHz范围内低于-10 dB；在高功率入射下，其$|S{11}|$在2.52至3.44 GHz内低于-10 dB，吸收率大于90%，同时$|S{21}|$低于-36.9 dB，实现了低反射下的高屏蔽。 为了验证结构在中间功率状态下的性能，研究者还采用了CST EM/Circuit协同仿真。他们利用SMP1330二极管的SPICE非线性模型，模拟了从低到高不同场强下的电磁响应。结果显示，在3 GHz处，当场强低于10 V/m时，$|S{21}|$维持在-1 dB左右，对应低功率高透射状态；当场强升至200 V/m时，$|S{21}|$骤降至-19.8 dB；至1000 V/m时，可达到-33 dB的屏蔽效果。同时，在整个场强变化范围内，$|S_{11}|$始终低于-15 dB。
三、 实验验证与结果分析
为全面验证设计，研究者分别针对低功率和高功率性能搭建了不同的测量装置。
1. 低功率性能验证 研究者采用平行板波导（PPW）装置进行低功率测试。这种方式能激发TEM波垂直入射，仅需一个包含15个单元的一维（1-D）阵列样本。实验使用矢量网络分析仪，并通过时域门技术消除天线反射等多路径干扰。测量结果显示，在3 GHz处成功实现了高效透波，$|S{21}|$为-0.64 dB。实测的$|S{11}|$虽然在约2.7 GHz处有所恶化，但仍保持在-8.3 dB以下。实测与仿真结果吻合良好，微小差异可能来源于吸收体切割和二极管焊接时的制造误差。
2. 高功率性能验证 由于自由空间产生高场强难度大，研究者巧妙地采用了矩形波导（Rectangular Waveguide）装置进行高功率测试。虽然波导内是TE模而非TEM模，但其场分布足以导通二极管，从而激活防护机制。实验样本为一个包含4个单元的微型结构，被置于两个WR284波导适配器之间，利用信号发生器和频谱分析仪测量传输与反射系数。测试频率移至3.1 GHz以补偿波导内的频偏。在功率递增实验中，实测$|S{21}|$随输入功率水平（从-10 dBm至40 dBm）的增大而显著下降，在35 dBm功率下达到-40.9 dB。更关键的是，在整个功率变化范围内，实测$|S{11}|$均小于-10 dB，有力证明了该结构在强电磁环境下具备出色的低反射高屏蔽特性。随频率变化的测试也进一步验证了其在宽频带的屏蔽与吸收性能。
四、 研究结论与价值
本文成功提出并验证了一种基于3-D结构的吸波式能量选择结构。该研究的核心科学价值在于，它提出了一种全新的“传输-吸收路径分离”的设计范式，从根本上解决了传统ESS“高屏蔽”与“低反射”不能兼顾的矛盾，并克服了2-D有源FSR功率容量低的瓶颈。通过等效电路模型和协同仿真，深入揭示了结构的工作机理和非线性响应特性。 在应用价值方面，该设计在3 GHz实现了低于0.7 dB的极低插损、高于40 dB的极高屏蔽效能，以及宽频带内低于-10 dB的低反射特性。其采用的立体吸波材料和3-D结构使其具备更高的功率容量和更强的屏蔽能力，为雷达、通信等敏感电子系统的电磁防护提供了鲁棒性更强、隐身性更优的解决方案。
五、 研究亮点