本文介绍的研究发表于IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters期刊2021年2月第20卷第2期，题为《Frequency Selective Rasorber with Anisotropic Transmission Band》。这项工作的主要作者包括Min Guo、Tiantian Guo、Qiang Cheng、Yuejun Zheng以及IEEE会员Yunqi Fu。所有作者均来自国防科技大学电子科学与技术学院。

研究背景与目标

频率选择吸波体（Frequency Selective Rasorber， FSR）是频率选择表面（Frequency Selective Surface， FSS）和电路模拟吸波体（Circuit Analog Absorber, CAA）的结合体，在电磁波空间滤波领域具有优异性能。它不仅能在特定通带内实现电磁波的透明传输（低插入损耗），还能在通带外吸收电磁波能量，因此非常适合用作降低雷达散射截面（RCS）的隐身雷达罩。

近年来，随着雷达和通信系统越来越多地利用极化特性来提升探测和抗干扰性能，对不同频率、不同极化方式的电磁波进行差异化处理的需求日益增长。因此，迫切需要能够表现出各向异性传输带（Anisotropic Transmission Band）特性的FSR器件。即器件对于横电（TE）和横磁（TM）两种不同极化的入射波，应具有位置不同的、低损耗的传输通带。然而，在本文发表之前，相关文献中尚未报道具有各向异性传输带的FSR设计。

鉴于此，本研究的主要目标在于：首先，基于等效电路模型（Equivalent Circuit Model, ECM）分析实现各向异性传输带FSR的理论原理。其次，依据该分析设计并实现一种具有各向异性传输带的新型二维FSR结构。最后，通过加工实物并测试，验证理论分析、仿真设计与实际性能的一致性。

详细研究流程与方法

本研究遵循了理论分析、结构设计、仿真优化、加工验证的完整流程。

第一部分：基于等效电路模型（ECM）的理论分析 研究者首先构建了FSR的典型三层等效电路模型。模型顶层代表电阻片层，其等效阻抗Zr；中间是厚度为t的空气介质层，等效为特性阻抗为自由空间阻抗Z0的传输线；底层为带通FSS层，其等效阻抗为Zf。通常，FSR的通带由Zr和Zf的阻抗极点共同决定，为了实现低插入损耗的通带，需要让Zr和Zf在同一个频率点（fr = ff）产生阻抗极点，从而使该频率下的总结构呈现高透波性。

为了实现各向异性的传输特性，研究指出，必须让电阻片层和带通FSS层在TE和TM两种极化下，分别在不同的频率点产生阻抗极点。即，需要满足：TE极化的通带频率fte = fr-te = ff-te， TM极化的通带频率ftm = fr-tm = ff-tm，并且fte不等于ftm。本研究设定的目标是在TE和TM极化下分别实现两个不同的通带。

通过商业软件Advanced Design System进行电路仿真，研究团队设计了一组合适的电路参数。仿真结果显示，电阻片层的等效阻抗Zr在TE和TM极化下分别于fr-te = 10.40 GHz和fr-tm = 11.40 GHz处产生阻抗极点。相应地，带通FSS层的设计需要匹配这两个频率点。基于此ECM模型的系统仿真表明，该结构能够在fte = 10.40 GHz和ftm = 11.40 GHz处分别形成TE和TM极化的低损耗传输窗口，同时在通带外保持宽带吸收特性。这一分析为后续具体的物理结构设计提供了明确的理论指导与参数目标。

第二部分：FSR物理结构的实现与设计 基于上述ECM分析，研究团队设计并优化了FSR的具体三维结构。

1. 单元结构：所提出的FSR是一个三层结构。顶层为电阻片层，底层为带通频率选择表面（FSS）层，中间为5mm厚的空气间隙。整个单元为正方形，周期为18mm。

2. 电阻片层设计：顶层结构采用了一种新颖的组合设计。其主体是一个加载了集总电阻的金属条，该部分可等效为一个串联的R-Ls-Cs电路，主要提供吸波功能。关键创新在于，在金属条中心集成一个开口圆环谐振器。这个开口圆环谐振器等效为一个并联的LC谐振电路，其作用是产生所需的传输通带。通过调整开口圆环上裂缝的角度θ，可以独立地调节TE和TM极化下通带的频率。研究发现，θ角越小，TE和TM极化下两个通带频率的差异就越大。在本设计中，选择了θ = 30°，以实现显著且可控的各向异性特性。所有图案均印制在厚度0.508mm的Rogers 4350B介质基板上，使用的集总电阻值为243Ω。

3. 带通FSS层设计：为了匹配顶层电阻片产生的两个不同极化的通带，底层设计了一种缝隙型FSS。该FSS单元包含两种不同长度和取向的缝隙，分别用于耦合TE和TM极化的电磁波，从而在目标频率（10.40 GHz和11.40 GHz）处产生相应的阻抗极点，形成透明的传输窗口。该层同样印制在Rogers 4350B介质基板上。

4. 全波电磁仿真：使用商业电磁仿真软件CST Studio Suite对设计的FSR单元结构进行建模和仿真分析。仿真评估了该结构在正入射和斜入射条件下的S参数（反射与传输系数），并计算了吸收率。

第三部分：样件加工与测量验证 为了验证设计和仿真的正确性，研究团队加工了FSR实物样件。样件由1×6个周期单元组成，总尺寸为18 mm × 108 mm。电阻片层和FSS层分别蚀刻在独立的Rogers 4350B基板上，中间用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫隔开并固定，以维持5mm的空气间隙。

测量工作在平行板波导中进行。由于波导结构的限制，测量仅能评估TM极化下的性能。将加工好的FSR样件置于波导中进行测试，获取其传输和反射系数，并进一步计算吸收率。

主要研究结果

1. 全波仿真结果：

   • 正入射性能：仿真结果显示，所设计的FSR成功实现了各向异性传输带。在TE极化下，传输通带中心位于fte = 10.40 GHz，插入损耗仅为0.52 dB。吸收率≥80%的吸收带覆盖了6.26–9.58 GHz和11.46–14.06 GHz两个频段。在TM极化下，传输通带中心位于ftm = 11.40 GHz，插入损耗为0.68 dB。吸收率≥80%的吸收带覆盖了6.35–10.42 GHz和12.69–14.64 GHz。这表明该结构在两个极化下均实现了“带内高透、带外强吸”的核心功能，且通带频率随极化不同而变化。
   • 斜入射稳定性：仿真还考察了斜入射性能。在入射角达到30°时，TE和TM极化下的传输通带均保持稳定。TE极化下的低频吸收带稳定，但高频吸收带有所恶化并出现波动；而TM极化下的传输和吸收性能在30°内均表现出良好的稳定性。

2. 实验测量结果：

   • 对实物样件的TM极化测试结果与仿真结果高度吻合。测量得到的传输通带中心位于11.69 GHz，插入损耗为0.81 dB。吸收率≥80%的吸收带覆盖了6.42–10.58 GHz和12.97–14.68 GHz。虽然中心频率有微小偏移（约0.29 GHz），但整体性能趋势与仿真一致。这种微小的差异主要归因于加工公差、组装误差以及介电常数偏差等实际因素。

结论与研究价值

本研究成功提出并验证了一种具有各向异性传输带的频率选择吸波体。其核心创新在于通过引入开口圆环谐振器到电阻片设计中，并结合特定设计的缝隙型FSS，首次在二维FSR结构中实现了针对TE和TM极化具有不同通带频率的空间滤波功能。仿真和实验结果表明，该设计在目标频点实现了低插入损耗的传输，并在宽频带内保持了良好的吸波性能，同时具备一定的角度稳定性。

该研究的科学价值在于，为FSR的设计理论增添了极化维度的调控自由度，突破了传统FSR通常仅针对单一通带或对极化不敏感的设计思路。所提出的基于等效电路模型的分析方法和基于开口圆环谐振器的结构实现方案，为未来设计更复杂的多频、多极化、可重构频率选择吸波体提供了新的思路和可行的技术路径。

在应用价值方面，这种各向异性FSR可以应用于先进的雷达和通信系统。例如，它可以作为多功能隐身雷达罩，允许我方雷达以特定极化（如TM极化）在特定频段（如11.4 GHz附近）高效工作，同时吸收其他极化（如TE极化）或其他频段（如10.4 GHz附近）的敌方探测信号，从而显著提升平台的电磁隐身和抗干扰能力。它还能用于构建极化敏感的天线罩或空间滤波器，提升系统的频谱利用率和信号识别能力。

研究亮点

1. 首次实现：这是首篇报道具有各向异性传输带（即TE和TM极化通带频率不同）的二维频率选择吸波体的学术论文，填补了该领域的一个空白。
2. 清晰的物理机制：研究从等效电路模型出发，清晰阐明了实现各向异性通带的原理（即要求电阻片和FSS层在不同极化下具有不同频率的阻抗极点），理论指导性强。
3. 巧妙的结构创新：采用“加载电阻的金属条+开口圆环谐振器”的复合结构作为电阻片，是实现可调各向异性通带的关键。通过简单改变开口角度θ即可灵活调控两个极化通带的频率分离程度，设计方法简洁有效。
4. 完整的验证流程：研究包含了从理论分析、电路仿真、结构设计、全波仿真到实物加工、实验测量的完整闭环验证，结果可信度高。
5. 良好的性能：最终设计的FSR在两个通带处的插入损耗均低于0.7 dB，吸收带宽较宽，且在30度入射角内性能稳定，展现了实用的潜力。

其他有价值内容

文中通过一个对比表格，将本设计与以往报道的其他FSR进行了性能比较，突出强调了本设计在实现“各向异性传输带”这一特性上的唯一性和先进性。同时，文章也区分了“各向异性传输”与以往文献中可能出现的“极化敏感”设计（后者可能仅在一种极化下有通带，另一种极化下完全阻带或吸收），明确了本工作的核心贡献在于在两种极化下均存在通带，但通带频率不同。