基于方环谐振器与电阻膜片的谐波抑制频率选择吸收器研究

本报告旨在向中文研究界介绍一篇发表于《IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters》2020年2月刊（第19卷第2期）的原创研究论文。该论文题为《Harmonic-Suppressed Frequency Selective Rasorber Using Resistive-Film Sheet and Square-Loops Resonator》，作者为贵州大学的余世兴、寇娜、丁照和张正平。

一、 研究背景与目标

本研究属于电磁场与微波技术领域，具体涉及频率选择表面（Frequency Selective Surface, FSS）与雷达散射截面（RCS）缩减技术。频率选择吸收器（Frequency Selective Rasorber, FSR）是一种特殊类型的频率选择结构，它同时具备带通滤波响应和带外吸波特性。传统FSR设计主要关注通带相邻频段的吸收，而对其高次谐波频段（通常指通带频率的整数倍频段）产生的寄生传输窗口问题关注不足。这些谐波窗口会导致电磁波在非预期频段透过结构，可能对无线通信系统造成干扰，或削弱雷达平台的隐身性能。

因此，本研究旨在设计并实现一种谐波抑制频率选择吸收器（Harmonic-Suppressed FSR, HS-FSR）。其主要目标是在中心频率8 GHz处形成一个主通带，同时有效抑制从12 GHz至26 GHz范围内（覆盖超过三个主通带频率倍频程）的谐波寄生传输和反射，从而增强系统抗干扰能力和雷达平台的隐身性能。

二、 研究方法与工作流程

本研究采用理论分析、等效电路建模、全波仿真与实验验证相结合的系统性方法。整体工作流程可分为三个核心阶段：

第一阶段：无耗频率选择表面（FSS）的设计与建模 研究首先设计了一种基于方环谐振器的无耗带通FSS。该FSS单元结构由一个贴附在单元边缘的大方环和内部的四个小方环组成。大方环主导带通响应，内部小方环用于引入传输零点，以优化滤波器的滚降特性。为了获得更宽的平坦通带和更快的滚降，研究采用了双层FSS结构，中间以空气层隔开。通过调整单元周期（p）、小方环边长（ps）和大方环线宽（w）等几何参数，可以独立控制通带频率和传输零点的位置。 研究的关键步骤之一是为该方环FSS建立了精确的等效电路模型。大方环等效为并联的LC谐振回路（L3/C3），用于控制主通带位置；内部小方环等效为另一个并联LC谐振回路（L4/C4），用于控制第一个传输零点的位置。通过参数提取，确定了等效电路元件的值（如L3 = 0.2927 nH, C3 = 0.4684 pF等）。该模型与全波仿真结果在0.2至30 GHz的宽频范围内高度吻合，验证了模型的有效性，为后续与吸波层级的集成分析奠定了基础。

第二阶段：基于电阻膜片的宽带吸波器设计与建模 为实现对FSS谐波特性的吸收，研究设计了一种基于电阻膜片的高阻抗表面（High-Impedance Surface, HIS）吸波器。该吸波器为三层结构：顶层是表面电阻为100 Ω/sq的方形电阻膜片，中间是厚度为2 mm的F4B介质基板，底层是金属接地板。该结构巧妙地将高阻抗表面共振与Salisbury屏（四分之一波长谐振）原理相结合，从而产生两个紧密相邻的谐振吸收点，分别位于18.4 GHz和23 GHz。这两个谐振点的耦合效应拓宽了吸波频带，使其在15 GHz至27 GHz范围内反射系数低于-10 dB，形成了宽频吸收特性。 同样，研究为该吸波器建立了等效电路模型。模型包含两个并联的RLC谐振支路（分别对应HIS共振和Salisbury屏共振）以及一段特征导纳为Y0=¹⁄₃₇₇ S的传输线。通过公式计算和参数拟合，确定了电路元件值，使得等效电路分析的反射系数与全波仿真结果近乎重合。这一模型清晰地揭示了宽带吸收的物理机制。

第三阶段：谐波抑制FSR（HS-FSR）的集成、分析与验证 这是本研究的核心创新步骤。研究者将前述设计的无耗FSS层与电阻膜片吸波层进行集成，构建了最终的HS-FSR结构。具体而言，该FSR由两个相同的“集成单元层”堆叠而成，中间留有4 mm空气间隙。每个“集成单元层”又包含三层：中间是方环FSS结构，其两侧各贴合一层电阻膜片。这里，吸波器的金属接地板被移除，因为FSS结构在带外呈现的全反射特性可以自然地充当吸波器所需的“接地”作用。 通过将FSS和吸波器的等效电路模型级联，并考虑层间耦合（用一个包含串联电感和两个并联电容的π型网络等效），得到了整个HS-FSR的等效电路模型。全波仿真与电路分析结果对比显示，该结构在7.5 GHz处形成了一个主通带（由于FSS与电阻膜片的耦合，中心频率较原始FSS略有偏移），并在12 GHz至26 GHz的宽频范围内实现了对谐波传输和反射的强烈抑制（即“吸收”）。 为了验证设计，研究团队加工了实物原型。该原型尺寸为240 mm × 240 mm × 12 mm，FSS和电阻膜片印制在介电常数εr=2.65、损耗角正切tanδ=0.005的基板上。测试采用喇叭天线和矢量网络分析仪进行。首先测量FSR的传输系数；其次，通过先测量金属板的总反射信号，再测量FSR的反射信号，两者相减得到FSR自身的反射系数。测量结果与仿真结果基本一致：主通带中心频率约为8.3 GHz，-3 dB带宽约2.0 GHz；在12-26 GHz范围内，传输和反射均被有效抑制，实现了谐波抑制功能。此外，研究还验证了该结构在0°至45°斜入射角下，对于横电（TE）和横磁（TM）极化波均具有良好的角度稳定性。

三、 主要研究结果

1. 成功设计并实现了一种新型HS-FSR结构：该结构创新性地将方环FSS的带通特性与电阻膜片吸波器的宽带吸收特性相结合。全波仿真与等效电路分析高度一致，证明了设计方法和模型的正确性。
2. 实现了预期的频谱特性：测量结果表明，该FSR在8.3 GHz处形成一个插入损耗约-2 dB的主通带。更重要的是，在12 GHz至26 GHz的频率范围内（覆盖了超过三个主通带频率的倍频程），谐波频段的寄生传输窗口和带外反射均被有效抑制至较低水平。这与仿真预测相符，达成了谐波抑制的核心目标。
3. 验证了结构的鲁棒性：实验证明，该HS-FSR在较大的斜入射角范围（0°至45°）内，对不同极化方式的电磁波均能保持稳定的通带和吸波性能，这对于实际应用（如雷达罩）至关重要。
4. 提供了完整的设计与分析框架：研究不仅给出了最终结构，还详细阐述了无耗FSS和吸波器各自的等效电路建模方法，以及将它们级联分析以预测整体FSR性能的系统性流程。这为同类器件的设计提供了重要的理论工具和设计思路。

四、 研究结论与价值

本研究成功提出并验证了一种基于方环谐振器和电阻膜片的谐波抑制频率选择吸收器。其主要结论是：通过合理集成带通FSS层和宽带吸波层，可以在保持一个主传输窗口的同时，有效吸收并抑制其高次谐波频段的能量，从而显著拓展FSR的有效工作带宽和纯化频谱响应。

该研究的价值体现在以下几个方面： * 科学价值：深化了对FSR谐波特性的认识，提出了解决谐波寄生传输问题的新思路。建立的FSS与吸波器级联等效电路模型，为复杂复合电磁结构的分析与设计提供了有效手段。 * 技术价值：所设计的HS-FSR结构相对简单，易于加工实现。其宽角度、双极化稳定的特性使其非常适合于实际工程应用。 * 应用价值：这种HS-FSR可直接应用于雷达天线罩（Radome）。作为天线罩，它能让天线工作频段（主通带）的信号无阻碍通过，同时吸收并抑制来自其他雷达或通信设备的干扰信号（位于谐波抑制带），以及降低平台自身在这些频段的雷达散射截面（RCS），从而同时提升无线通信系统的抗干扰能力和雷达平台的隐身性能。

五、 研究亮点

1. 新颖的设计目标：首次明确将“谐波抑制”作为FSR的核心设计目标之一，突破了传统FSR仅关注通带邻近频段吸收的局限。
2. 创新的结构集成：采用“FSS-电阻膜”交替堆叠的集成单元层设计，巧妙利用FSS的带外全反射替代吸波器的接地板，简化了结构，并实现了通带与多个倍频程谐波抑制带的融合。
3. 系统性的建模方法：从单元结构出发，分别建立FSS和吸波器的精确等效电路模型，再通过级联模型预测整体性能，形成了从局部到整体、从理论到验证的完整设计链条，方法论清晰、可靠。
4. 优异的性能指标：实现了超过三个倍频程的谐波抑制带宽，且通带性能对入射角和极化不敏感，综合性能优于文中对比的其他FSR设计。

六、 其他要点

论文在讨论部分也指出了当前设计的不足之处：由于引入了电阻膜片以实现吸收，导致了主通带的插入损耗相对较高（约-2 dB）。这是损耗型FSR设计中典型的性能折衷。作者指出，如何在保证谐波抑制性能的同时降低通带插入损耗，是未来需要进一步研究的方向。这一坦诚的讨论为后续研究指明了改进空间。