本研究由孟加拉国吉大港工程技术大学（CUET）电子与通信工程系的Md. Murad Kabir Nipun和Md. Jahedul Islam共同完成，其中第一作者Md. Murad Kabir Nipun同时隶属于孟加拉国国际商业农业与技术大学（IUBAT）的电气与电子工程系。该研究成果于2026年发表在Elsevier旗下的期刊《Physics Letters A》第576卷上。
随着无线通信系统、雷达技术以及高度集成的电子平台的日益普及，对能够有效控制和屏蔽有害电磁波的材料的需求变得愈发迫切。传统的微波吸收材料通常由有耗介质或多层结构构成，其厚度大，不利于集成和小型化。为克服这些限制，基于超材料（metamaterial）的微波吸收器因其在亚波长尺度上实现高效吸收的潜力而备受关注。尽管已有研究探索了多种超材料吸收器设计，但其中许多设计仍面临依赖昂贵的基底材料、复杂的金属图案、缺乏实验验证、工作频段单一以及未能明确讨论电磁干扰（EMI）屏蔽效能等问题。尤其是在具有实际意义的ISM（工业、科学和医疗）频段和低频C波段，同时具备高吸收率、强屏蔽效能和极化不敏感特性的紧凑型双频吸收器鲜有报道。为填补这一研究空白，本文提出并验证了一种在低成本FR-4基底上设计的、可同时工作在2.4 GHz和4 GHz的紧凑型双频超材料吸收器。
该研究的设计与验证流程系统且完备，主要包括单元结构设计与仿真、等效电路建模、参数扫描与分析、电磁机理研究以及原型制造与实验测量五个核心环节。在第一阶段，研究团队基于经典的三层吸收器结构进行设计，该结构由顶层的图案化铜谐振器、中层的FR-4介质基板（厚度1.6 mm）和底层的连续铜质接地板组成。通过使用CST Studio Suite电磁仿真软件对单元结构进行反复迭代和优化，最终确定了具有高度对称性的谐振器几何形状。该谐振器以一个中心方形贴片为基础，向外延伸出多个耦合臂和外围谐振结构，其单元周期仅为6 mm。仿真设置中，x和y方向采用周期性边界条件以模拟无限大阵列，z轴方向设置Floquet端口以模拟平面波激励。在第二阶段，为了从电路角度深入理解吸收机理，研究团队利用ADS软件建立了由电感（L1-L4）、电容（C1-C4）和电阻（R1， R2）等集总元件构成的等效电路模型（equivalent circuit model）。这些元件分别模拟了铜迹线上的电流环路、金属臂和相邻结构间的分布间隙电容以及铜的欧姆损耗和FR-4的介质损耗。通过与全波仿真得到的反射系数（S11）进行比较，该模型成功复现了2.4 GHz和4 GHz附近的双频谐振特性，从而验证了设计的物理原理。在第三阶段，为了揭示吸收器的可调谐性和优化路径，研究团队对关键设计和材料参数进行了系统的参数扫描分析。他们研究了不同基底材料（如Rogers RT5880、玻璃、聚碳酸酯、纸张、Arlon AD和FR-4）、不同基底厚度（0.8 mm至3.2 mm）、不同阵列规模（1x1至4x4）以及谐振器几何参数（如中心耦合短截线和谐振臂的位置与长度、中心方形谐振器的大小）对吸收性能的影响。结果显示，基底材料的介电常数和损耗角正切共同决定电容耦合强度、场约束和能量耗散，而FR-4凭借其适中的介电常数和固有损耗实现了最佳性能；1.6 mm的基底厚度则在电磁耦合和阻抗匹配间取得了最佳平衡；阵列规模的增大对吸收性能影响甚微，证明了设计的可扩展性；而精细调整中心耦合短截线和谐振臂的几何参数则能实现对谐振频率和吸收幅度的有效调谐。在第四阶段，为阐明高吸收率的物理根源，研究团队深入分析了表面电流分布、电磁场分布和功率损耗密度。在2.4 GHz谐振频率下，谐振器上的表面电流主要集中在外围方形框架和连接臂上，形成磁谐振回路，而在4 GHz时，电流则更集中于内部方形结构和邻近的耦合段。相应的接地板上则出现了反向平行电流，证实了磁偶极子的形成。电场和磁场分布图进一步揭示，在两种谐振频率下，电磁场均被强烈地局域在谐振器的间隙、边缘和耦合区域，电场“热点”和磁场“环路”共存，激发了有效的LC谐振，并通过介质的损耗实现了能量的高效耗散。功率损耗密度（power loss density）的分析与公式Ploss = 1⁄2 ωε”|E|² 的描述相一致，明确指出了因电场增强而导致的能量转换为热的主要区域。第五阶段，研究团队采用印刷电路板工艺制造了所设计吸收器的原型，并利用波导和矢量网络分析仪搭建实验平台，在微波暗室中测量了其反射和吸收特性。实测结果与仿真结果吻合良好，在2.4 GHz和4 GHz处分别测得了约98.84%和99.17%的峰值吸收率。
该研究获得了一系列关键结果。首先，所提出的超材料吸收器在TE极化（横电波）下，于2.4 GHz和4 GHz处分别实现了99.32%和99.75%的近完美吸收率；在TM极化（横磁波）下，对应的吸收率也达到了99.04%和99.68%。其次，该吸收器展现出卓越的电磁干扰屏蔽效能（shielding effectiveness），在2.4 GHz和4 GHz的仿真屏蔽效能分别高达49.02 dB和56.65 dB，实测值分别为51.03 dB和55.91 dB，远超一般商业应用所需的20 dB标准。通过 Nicolson-Ross-Weir 方法提取的有效电磁参数表明，在两个谐振频率附近，吸收器同时实现了负的等效介电常数和负的等效磁导率，进入“双负”媒质状态，并且其归一化等效阻抗分别接近1+j0，实现了与自由空间的良好阻抗匹配，从而最大限度地抑制了反射。极化转换率（polarization conversion ratio， PCR）的数值在整个频段内都保持在极低的水平（约10⁻⁴量级），表明该器件主要作为吸收器而非偏振转换器工作。尤为突出的是，该设计表现出优异的角稳定性和极化不敏感性。对于TE和TM两种极化模式，当入射角（θ）增大到60°时，吸收峰依然清晰稳定，峰值吸收率仅有轻微下降。当极化角（φ）在0°至60°范围内变化时，吸收谱几乎完全不变。此外，该单元在2.4 GHz时的电尺寸仅为0.048λ，有效介质比（effective medium ratio， EMR）高达20.8，展现了极强的亚波长特性。
综合以上结果，本研究得出的核心结论是：通过在低成本的FR-4基底上设计对称的紧凑型谐振结构，成功实现了一种在ISM（2.4 GHz）和低频C波段（4 GHz）具有双频、近完美吸收能力的超材料吸收器。该设计的价值体现在科学和应用两个层面。在科学层面，该工作提供了一个从全波仿真、等效电路建模、电磁机理分析到最终实验验证的完整研究范式，尤其通过吸附软件（ADS）模型与CST仿真结果的高度一致性，为理解此类多频段吸收器内的谐振和能量耗散行为提供了直观且可靠的物理洞察。在应用层面，该吸收器凭借其紧凑的尺寸、极高的吸收率和屏蔽效能、对入射角和极化状态的高度稳定性以及采用标准PCB工艺的低成本制造优势，成为电磁干扰抑制和保护现代无线通信系统（如Wi-Fi和5G部分频段）的一个极具潜力的候选方案。
该研究的亮点可归纳为以下几点。首先，在性能指标上实现了突破性平衡，将紧凑性（单元尺寸6 mm， EMR 20.8）、双频高效吸收（>99%）和强电磁屏蔽（>49 dB）三大优良特性集于一身，这在现有文献中极为少见。其次，其方法学上的新颖之处在于，不仅依赖全波电磁仿真，还开发并验证了与之高度匹配的等效电路模型，为设计思路提供了简捷的物理解释和未来快速优化设计的潜在途径。最后，实验验证的全面性令人信服，不仅通过波导测试验证了垂直入射下的吸收性能，还在微波暗室中测量了不同极化角度下的响应，证实了其极化不敏感特性，确保了研究成果的可靠性与实用性。