本学术报告基于一篇发表于国际知名期刊 IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters 的研究论文。该论文发表于2024年10月，卷号为23，第10期。论文标题为《具有可切换双工作模式的有源频率选择吸波器》（Active Frequency-Selective Rasorber With Switchable Dual Operating Modes）。该研究由来自多个知名学术机构的研究人员合作完成，主要作者包括 Minrui Wang（王敏瑞，学生会员，IEEE）、Zheng Xiang（相征）、Yi Li（李毅，会员，IEEE，通讯作者）、Peng Ren（任鹏），他们均来自西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室。此外，合作者还包括来自英国贝尔法斯特女王大学电子、电气工程与计算机科学学院无线创新中心的 Chao Gu（顾超，会员，IEEE），以及来自香港中文大学电子工程系的 Steven Gao（高式昌，会士，IEEE）。该研究的发表标志着在电磁隐身和多功能电磁调控领域取得了一项重要进展。
本研究属于电磁场与微波技术领域，具体聚焦于频率选择表面（Frequency-Selective Surface，FSS）及其衍生的频率选择吸波器（Frequency-Selective Rasorber，FSR）。传统的频率选择表面作为一种空间滤波器，能够在特定频段内透射电磁波，而在带外则反射电磁波。然而，这种带外反射特性在多基地雷达系统中可能导致目标暴露，不利于隐身。为了解决这一问题，频率选择吸波器应运而生，它融合了FSS的滤波特性与吸波器的吸波特性，能在通带内低损耗透射电磁波，同时在带外将入射电磁波吸收耗散，从而显著提升目标的隐身性能。
根据通带与吸波带的相对位置，FSR可分为三类：通带位于吸波带之上、位于吸波带之下，以及通带位于吸波带之内，即吸收-透射-吸收（Absorption-Transmission-Absorption，A-T-A）模式。在某些特定的应用场景，如协同通信或天线与天线罩共形集成时，A-T-A模式可能并非最优选择。例如，在共形集成中，全吸收模式产生的热量可能损害天线系统。此时，将工作模式切换为吸收-反射-吸收（Absorption-Reflection-Absorption，A-R-A）模式，即在吸波带内形成一个窄带的反射窗口（陷波带），则更具优势。这种带有陷波带的FSR不仅可以作为通信中继形成反射路径，还能避免全吸收带来的热效应问题。然而，现有的陷波带FSR设计多为无源结构，一旦制造完成，其电磁特性便无法更改，难以适应日益复杂和智能化的多功能电磁系统。因此，本研究旨在设计一种工作模式可在A-T-A与A-R-A之间灵活切换的有源频率选择吸波器（Active Frequency-Selective Rasorber，AFSR），以提升FSR的灵活性和环境适应性，尤其是在L波段等低频段实现小型化设计。
为了实现上述目标，研究团队遵循了一套严谨的设计、分析与验证流程，具体包括以下几个步骤：
第一步：无源吸波器单元的设计与建模。 研究首先设计了一个无源状态下的FSR，作为有源设计的基础。该无源FSR由一个损耗层（lossy layer）和一个无损耗的频率选择表面层（lossless FSS layer）构成，两层之间由空气间隙隔开。 1. 损耗层设计：研究人员设计了一种由四个方形枝节谐振器（square stub resonators）通过加载了集总电阻的金属带状臂连接的单元结构。该结构印制在厚度为1毫米、相对介电常数为2.2的Teflon介质基板上。为了在低频段实现小型化并保持良好的透射性能，研究采用了弯折技术（bending technique），通过迭代弯折基本枝节单元来优化设计。通过在损耗层下方30毫米处放置金属地板的模拟（仿真）表明，该损耗层可在0.97至1.31 GHz和1.95至3.30 GHz范围内实现低于-10 dB的反射系数，即形成两个独立的吸波带，验证了其宽带吸波潜力。 2. 无损耗层设计：带通特性由一层带有方形缝隙（square-slot）结构的无损耗层实现。模拟结果显示，该层在约1.44 GHz处产生了一个传输窗口，插入损耗（Insertion Loss，IL）为0.37 dB，其-3 dB传输带宽为1.41至1.46 GHz。 3. 整体无源FSR建模与分析：将损耗层与无损耗层通过30毫米的空气间隙组合。研究团队构建了整个无源FSR的等效电路模型（Equivalent Circuit Model，ECM）。在ECM中，损耗层上的方形枝节谐振器和电阻被等效为串联的R1L1C1电路，用于描述吸波特性；增加的并联L2C2电路则用于解释如何在两个吸波带之间产生一个透射带。无损耗层被建模为并联的L3C3电路。空气层和介质基板分别用传输线阻抗Z0和Zd表示。通过在电磁仿真软件HFSS中进行全波仿真，并在ADS软件中进行电路仿真，两者得到的S参数结果高度吻合。仿真结果表明，该无源FSR的通带（|S21| > -3 dB）为1.69至1.94 GHz，最小插入损耗为1.83 GHz处的0.17 dB；其-10 dB吸波带则覆盖了0.87至3.35 GHz的宽频范围，完美实现了A-T-A工作模式。
第二步：有源可切换FSR的设计与实现。 在验证了无源设计的基础上，研究人员通过在无损耗层上集成PIN二极管开关，赋予FSR可重构能力。 1. 开关集成：将四颗PIN二极管焊接在无损耗层方形缝隙的四个间隙中。为了给二极管提供偏置电压，在无损耗层的背面设计了十字形的偏置网络（bias network），并通过金属化过孔（vias）连接上下表面的电路。为最小化馈电网络对高频电磁特性的影响，在偏置线上安装了四个集总电感以隔离射频信号。 2. 有源ECM构建：为解释开关机制，研究团队优化了ECM。在该模型中，PIN二极管在“关”（OFF）状态下被等效为一个电感（Ls=0.71 nH）与一个高电容（Cf=0.01 pF）的串联；在“开”（ON）状态下则等效为电感（Ls=0.71 nH）与一个小电阻（Rn=1.5 Ω）的串联。底部的偏置线被等效为电感L4。 3. 物理机制分析：通过分析不同状态下的表面电流分布，可以清晰理解工作模式切换的物理机制。在1.89 GHz的OFF状态下，损耗层的电流集中在方形枝节谐振器的末端，电阻区域几乎没有电流；而电磁波可以顺利通过无损耗层的方形缝隙区域，形成透射。在1.91 GHz的ON状态下，损耗层的电流分布略强，而无损耗层的电流微弱且集中于二极管附近，这表明电磁波几乎无法通过无损耗层，从而形成了反射状态。
第三步：仿真验证与性能评估。 设计完成后，研究团队利用HFSS和ECM对AFSR的性能进行了全面的仿真评估。 1. 双模式验证：仿真结果显示，当PIN二极管处于OFF状态时，AFSR工作在A-T-A模式，在1.89 GHz处出现最小插入损耗为0.21 dB的透射峰，同时，反射系数低于-10 dB的吸波带为0.87至3.42 GHz，实现了119%的相对带宽。当二极管切换至ON状态时，AFSR则切换至A-R-A模式，在1.91 GHz处形成一个反射峰（陷波带），且两侧出现两个吸波带，分别为0.95至1.34 GHz（相对带宽34%）和2.1至3.51 GHz（相对带宽50%）。ECM计算结果与全波仿真结果一致，证明了模型和设计的正确性。 2. 角度与极化稳定性评估：研究还测试了斜入射和不同极化下的性能。在横电（TE）和横磁（TM）极化模式下，无论是A-T-A还是A-R-A模式，该AFSR均能在入射角达40°的范围内保持良好的角度稳定性。同时，该设计也展现了优异的极化不敏感性。
为了进一步验证设计概念，研究团队加工并测试了一个由8×8个单元组成的原型样件，其尺寸为388 mm × 388 mm。在实际装配中，损耗层与无损耗层之间用30毫米厚的聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫（相对介电常数1.05）作为空气间隙。测试采用了一对透镜天线和直流电源。 实测结果显示： 1. 当为PIN二极管提供0.94 V正向偏置电压（ON状态）时，原型样件成功实现了A-R-A模式。在1.9 GHz处观察到明显的反射峰，两侧的吸波带分别为（0.98至1.45）GHz和（2.11至3.93）GHz，与仿真结果吻合良好。 2. 当二极管处于零偏置（OFF状态）时，原型样件工作在A-T-A模式。在1.99 GHz处测得透射峰，插入损耗为0.65 dB，吸波带为0.99至3.18 GHz。实测结果与仿真结果之间的微小偏差主要归因于样件加工公差以及未知的寄生参数影响。 通过与已有研究的性能对比（Table I），本设计展现出显著优势，如可重构性、宽带吸波特性、较低的插入损耗、更少集总元件数量、小型化设计以及优异的角稳定性。
本研究成功提出、设计并通过实验验证了一款可在L波段于A-T-A和A-R-A两种模式间切换的有源频率选择吸波器。研究通过详细的等效电路模型和表面电流分布分析，深入阐明了该器件的工作机理。其科学价值在于为可重构电磁超表面的设计提供了一种新颖的、模式切换更灵活的方法。在应用价值方面，该设计因其低频工作特性和可切换的反射/透射窗口，在诸如天线罩（radome）、电磁兼容和协同通信系统中具有巨大的应用潜力，尤其适合需要在不增加热负荷的情况下实现通信中继的共形天线系统。
本研究的亮点可归纳为： 1. 功能创新性：首次提出并验证了一款可在A-T-A和A-R-A模式间直接切换的有源FSR，不同于以往大多数只能实现其中一种模式或无源设计的方案。 2. 物理机制的深入阐释：通过构建精细的ECM并结合表面电流分布分析，清晰揭示了由PIN二极管控制的模式切换物理本质——即通过控制无损耗层的“透射/反射”状态来实现。 3. 优越的综合性能：所提出的AFSR在保持宽吸波带（最宽达119%）和低插入损耗（最低0.21 dB）的同时，实现了小型化和优良的宽角域、极化不敏感特性，并在L波段这一低频设计难点上取得了成功。