这是一篇关于原创性研究成果的学术报告。
一、研究概况
本研究由南京航空航天大学（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics）的Yan Kun、Wang Yi、Min Xiaofan、Tang Lei、Xia Yu，以及南京电子设备研究所（Nanjing Electronic Equipment Institute）的Li You等研究人员共同完成。其中，通讯作者为Yi Wang。该研究成果于2023年以研究论文（Research Paper）的形式被《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》接收，并发表于该期刊2024年第16卷第2期，页码范围237至243。
二、研究背景与研究目标
本研究属于电磁（Electromagnetic, EM）功能材料与结构领域，具体聚焦于电磁防护技术。在现代复杂的电磁环境中，电子设备面临着两大核心威胁：一是来自敌方雷达探测的威胁，对电磁隐身（EM Stealth）提出了极高要求；二是来自高功率微波（High-Power Microwaves, HPM）武器的干扰与毁伤威胁，对电磁防护提出了严峻挑战。针对这两类威胁，研究人员分别提出了两种关键技术路径。其一是频率选择吸透一体结构（Frequency Selective Rasorber, FSR），它能在特定频带内吸收电磁波以实现隐身，同时在另一通信频带内保持透波窗口，以保证正常通信。其二是能量选择表面（Energy Selective Surface, ESS），它能根据入射电磁波的功率水平自适应地改变传输状态，对高功率微波进行屏蔽以保护后端电子器件，而对低功率通信信号则保持透明以保障通信畅通。
然而，此前的FSR和ESS研究大多独立进行，各自在不同频段、通过不同机制解决单一问题，鲜有将两者功能集成的报道。针对电子设备在复杂电磁环境下对集成化隐身与能量保护的实际需求，本研究提出了一个开创性的解决方案，即设计一种能量选择型吸透一体结构（Energy Selective Rasorber, ESR）。该研究旨在将ESS的自适应能量保护功能与FSR的宽带吸波功能相融合，最终实现一个在特定通信频带内具备能量选择性传输保护，同时在宽频带内具备高效雷达波吸收能力的多功能电磁结构。
三、研究设计与实现流程
本研究的工作流程严谨，从理论分析、分层结构设计、整体结构集成优化到最终的实验验证，形成了一个完整的闭环。
1. 吸收结构（Absorbing Structure）的设计 研究的第一步是设计一个基础的宽带吸波结构，该结构需满足在6–18 GHz高频段内具有强吸收能力，并在0.8–2 GHz的低频段内形成一个透明的低插损通带。设计团队采用了一种经典的双方环（Double Square Loop）金属结构，并在其上加载集总电阻（Lumped Resistors）作为初始单元。其物理机制在于，双环结构通过耦合产生多重谐振效应，在6-18 GHz的吸收带内感应出强电流，通过电阻将电磁波能量耗散为热能，从而实现高效吸收。而在0.8-2 GHz的通带内则不发生谐振，以保证电磁波的顺利通过。该结构由顶层的电阻膜层（Resistive Layer）、介质支撑层（Supporting Dielectric Layer）、空气层（Air Layer）和底层金属板（Metal Plate）构成。研究人员应用等效电路模型/方法（Equivalent Circuit Model/Method, ECM）来解释其性能，并基于频率选择表面（Frequency Selective Surface, FSS）设计原理设定初始参数，通过优化确定了单元周期p=13.5 mm、外环边长d1=11.2 mm、内环边长d2=5.8 mm等关键几何尺寸，以及外环电阻300Ω、内环电阻120Ω和空气层高度h=5 mm等重要参数。仿真结果显示，当h=5 mm时，该结构在6–18 GHz频段内的反射系数S11均低于-10 dB，满足了宽带吸收的性能要求。
2. 能量选择层（ESS Layer）的设计 第二步是在吸收层的通带内引入能量选择保护功能。为实现这一目标，研究人员对底层的金属板进行了改造，将其设计为一个具备能量选择功能的传输层。该ESS层的设计基理在于利用二极管的非线性阻抗特性。其目标是使该层在0.8–2 GHz频段工作，同时避免在整个0.8–18 GHz的工作频带内产生高次谐波或栅瓣，以免破坏高频段的吸收性能。具体结构是在金属板上蚀刻出两条分离的金属带，中间保留一条细金属条，并将其中段替换为一个型号为HSMS-2864的肖特基二极管（Schottky Diode）。通过场路联合仿真（Co-simulation）发现，在低功率入射条件下，由于二极管封装带来的寄生电容（Parasitic Capacitance）和电感（Parasitic Inductance），在约17 GHz附近产生了寄生谐振，严重恶化了6-18 GHz频段的吸收率。为了解决这一问题，研究人员对结构进行了优化，提出了一种创新的修改方案——使用两个二极管并联来代替单个二极管。这一方法等价于将寄生电感和寄生电容并联，有效降低了总的寄生电感值并增大了总的寄生电容值，从而成功地将该寄生谐振峰移出工作频段，优化了高频段的宽带吸波性能。这是本研究中一个非常巧妙的创新点，直接关系到最终设计的成败。最终优化后的ESS层金属条宽度w1=w2=1.5 mm，间隙宽度g=1.4 mm。
3. 整体结构的集成与优化 第三步是将前两步设计的吸收层和ESS层进行集成，并针对耦合效应进行全局优化。直接将设计的ESS层替换吸收结构的底层会导致阻抗失配，从而严重恶化整体性能。因此，研究人员需要对关键参数进行迭代优化调整，主要包括空气层高度（h）和顶层内外方环的边长（d1, d2）。这是一个精密的协同设计过程，参数的调整会同时影响低频传输特性与高频吸收特性。最终的仿真结果表明，集成后的结构取得了优异的多功能性能。在14 dBm的低功率信号入射下，结构在6–18 GHz的宽带范围内，反射系数S11和传输系数S21均小于-10 dB，表明绝大部分入射波被有效吸收，实现了隐身功能；同时，在0.8–2 GHz的传输带内，S21峰值大于-2 dB，保证了高效的信号传输。而当入射功率提升至30 dBm时，高频段的吸收性能得以保持，而在传输带内，S21下降至-15 dB以下，表明通信频段被自适应地阻断，实现了对后端电子设备的能量保护。
四、实验验证与结果分析
为了验证上述设计和仿真结果，研究人员加工了两种尺寸的实物样品，并分别采用两种不同的测量方法进行实验。
1. 波导测量法验证能量选择特性 首先，研究人员制作了一个尺寸为161.1 mm×106.4 mm、包含4×8个单元的样品，采用波导法测试其能量选择特性。该样品的顶层使用了0402封装的贴片电阻，底层使用了HSMS-2864封装的肖特基二极管，两层介质板之间由电磁参数等效于空气的聚甲基丙烯酰亚胺（Polymethacrylimide）泡沫支撑。测量结果显示，在1.86 GHz频点，当入射功率从-30 dBm变化到14 dBm时，其反射系数S11从低于-22 dB跃升至高于-2 dB，而传输系数S21则从高于-2 dB急剧下降到低于-17 dB。这一清晰的“通-断”切换充分证实了所设计结构的能量选择功能是有效的。测量结果与仿真结果在峰值频率和幅度上表现出良好的一致性，如表1所示，验证了设计方法的正确性。
2. 自由空间测量法验证宽带吸波特性 其次，一个尺寸为27 cm×27 cm、包含19×19个单元的样品被加工出来，并在微波暗室（Anechoic Chamber）中采用自由空间法测试其宽带的吸收性能。测量结果（如图12所示）表明，在整个6–18 GHz的频带内，测得的S11和S21参数的平均值均低于-10 dB，证明了该结构具有良好的宽带吸波效果。尽管由于加工误差或有源器件模型的不精确，在约14 GHz处存在一定的频率偏移，但测量结果的整体变化趋势与仿真结果高度一致，不影响最终结论的有效性。
五、研究结论与价值
本研究成功提出并验证了一种名为ESR的新型多功能电磁结构，其能在约1.86 GHz频点实现能量选择性传输，同时在6–18 GHz的超宽频带内实现雷达波吸收。这一设计首次将ESS和FSR这两种此前独立发展的技术路径有机融合，在单一结构上同时实现了针对HPM攻击的自适应防护和针对雷达探测的宽带隐身。其科学价值在于， 它为多功能电磁功能材料的集成设计提供了新的理论方法和实践途径，为解决复杂电磁环境下的多任务需求提供了范例。其应用价值在于， 这种结构可用于通信天线罩等领域，能够在不影响正常通信的前提下，既保护电子设备免受宽频雷达的探测，又能防御通信频带内的强电磁干扰乃至HPM武器的攻击，代表了电磁防护结构向集成化、智能化发展的一个重要方向。
六、研究亮点
本研究的首要亮点在于其创新性的集成设计概念，即首次将能量选择性保护与频率选择性吸透两大功能集于一身，填补了相关技术空白。其次，在方法上具有创新性，特别是在解决ESS层引入的寄生谐振问题上，研究团队巧妙地使用双二极管并联结构抵消和抑制了寄生参数的影响，这种简单而高效的方法是本研究成功的技术关键之一。最后，通过与近期同类工作（如表2所示）的对比，本设计在仅使用集总元件的情况下，同时实现了能量选择功能和比同类工作更宽的吸波频带，凸显了其性能上的优越性。研究团队也在结论中明确指出了未来需要进一步解决的问题，如结构的角稳定性和极化不敏感性等，为后续研究指明了方向。