本研究由来自军事科学院国防科技创新研究院的Qihui Zhou、Lei Huang、Zhuohang Zhang，以及国防科技大学的Han Zhou和Zhaofeng Wu组成的团队完成。该研究成果于2024年7月24日在线发表，并刊登在同年10月出版的《ieee transactions on electromagnetic compatibility》第66卷第5期上。
本研究的学术背景主要面向多频谱电磁调控与隐身技术领域。随着现代战争中雷达探测（Radar Detection）技术的不断发展，对军事平台的雷达散射截面（Radar Cross-section, RCS）缩减提出了极高要求。传统的电路模拟吸波体（Circuit Analog Absorber, CAA）虽能有效吸收电磁波，但其金属背板会阻挡所有入射波，导致己方无法进行正常的无线通信。为解决这一矛盾，频率选择吸波器（Frequency Selective Rasorber, FSR）应运而生，它能在带外实现宽带吸波以实现隐身，同时在带内提供一个透明的传输窗口用于通信。然而，传统的无源及大部分可重构FSR的功能较为单一，无法在传输、反射和吸收三种基本工作模式间进行灵活切换，这限制了其在复杂电磁环境下的适应能力。本研究的核心目标是设计并验证一种多功能的可切换FSR，使其能在一个器件上同时实现FSR-T（传输）、FSR-R（反射）和FSR-A（吸收）三种工作模式的实时电控切换，从而填补该领域的研究空白，以满足通信、高功率微波防护以及隐身等多重需求。
为达成这一目标，研究团队设计了一种由两个周期性层构成的双层结构，并采用了从等效电路模型（Equivalent Circuit Model, ECM）分析到三维全波仿真（Full-wave Simulation），再到实物加工与测试的完整研究流程。
研究的第一步是原理分析与等效电路建模。研究者将整个FSR结构抽象为由有源电阻表面（Active Resistive Surface, ARS）和有源频率选择表面（Active Frequency Selective Surface, AFSS）以及空气间隔层组成的等效电路。AR S的阻抗表示为Zt，AFSS的阻抗表示为Zb。通过传输线理论推导出的S参数表达式，研究者明确了实现三种模式所需满足的阻抗条件：当Zt和Zb均趋于无穷大时实现全传输；当Zt趋于无穷大且Zb为零时实现全反射；当Zb为零且Zt的实部和虚部满足特定关系时实现完美吸收。基于此，他们分别为三种模式构建了具体的集总电路模型。在FSR-T模式下，ARS中的并联LC谐振器在PIN二极管导通时产生一个阻抗极点，从而在宽带吸波频段中开辟出一个低损耗传输窗口，AFSS则作为一个带通滤波器，两者共同工作，让f0频率的信号以低插入损耗通过。在FSR-R模式下，ARS保持传输窗口，而AFSS的PIN二极管截止，其电路特性改变，导致原本的带通频段上移，使得f0处变为反射镜面，入射波被反射。在FSR-A模式下，两层PIN二极管均截止，ARS中的并联谐振移至高频，使得f0处变为有耗层，与作为反射面的AFSS共同作用，将入射的电磁波吸收。通过ADS软件对电路模型进行优化和仿真，初步验证了该设计方案在理论上能实现传输、反射及覆盖开关频段的宽带吸收等预期功能。
研究的第二步是物理结构设计与全波仿真验证。根据电路模型的指导，研究者使用CST软件在三维空间中构建了ARS和AFSS的物理单元。ARS印制在0.508毫米厚的Rogers 4350B板材上，其主体是一个加载了集总电阻的偶极子，等效于串联RLC电路，提供宽带吸波能力。偶极子中部嵌入了一个加载有BAP65LX型PIN二极管的环形谐振结构，形成一个可关闭的并联LC谐振器。通过控制偏置电压，PIN二极管在导通时使电流绕过电阻，形成无耗传输窗口；在截止时使电流流过电阻，恢复有耗状态。为最小化偏置电路的影响，研究者采用了垂直于偶极子且宽度仅为0.2毫米的极细偏置线，并串联了一个270nH的高值电感作为射频扼流圈（RF Choke）。全波仿真结果与等效电路仿真结果高度吻合，证明了设计有效性。同样印制在0.508毫米厚Rogers 4350B板材上的AFSS单元，其正面是一个中间插入PIN二极管的“I”形贴片，背面是一对平行线，整体等效为一个混合带通电路。通过控制二极管的通断，AFSS可以在9.38GHz处提供一个传输极点，或在整个频段内充当反射面。将两层以11毫米的空气层间隔组合后，一个多功能可切换FSR便被构建出来。全波仿真结果显示，通过分别控制两层二极管的通断（开-关对应FSR-R模式，开-开对应FSR-T模式，关-关对应FSR-A模式），该结构在9.38GHz的操作频点处能分别实现反射、0.64dB插入损耗的传输以及-16.5dB反射系数的吸收，并且在所有模式下，均能保持从约3GHz到8GHz的宽带有效吸收。
研究的第三步是实物样品的制备与实验测试。研究者采用印制电路板技术制备了一个尺寸为18毫米×100毫米，包含1×10个单元的样机阵列，并将两层结构用11毫米厚的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫支撑。所有BAP65LX型PIN二极管、集总电阻和电感均通过表面贴装技术焊接。测试采用了平行板波导（Parallel-Plate Waveguide, PPW）测量系统以避免自由空间干扰，并使用Keysight N5224A PNA网络分析仪连接同轴电缆进行S参数测量。为提升测试精度，系统周围放置了吸波材料，且利用空气窗口和金属板进行了校准，并采用了时域门（Time-domain Gating）技术。
测试结果表明，所制备的FSR实现了预期的全部三种工作模式：在FSR-T模式（导通-导通状态）下，于10.15GHz处出现了一个插入损耗为0.85dB的传输窗口，且在3.8至8.6GHz频段内实现了有效吸收；在FSR-R模式（导通-截止状态）下，10.15GHz处的传输窗口转变为反射系数低于-0.9dB的反射带，其有效吸收带轻微偏移至4.3至9.1GHz；在FSR-A模式（截止-截止状态）下，开关频带处的反射带消失，有效吸收带扩展至4.2至10.7GHz，完全覆盖了之前的反射频段。吸收率计算结果显示，三种模式下4至9.3GHz范围内的吸收率均超过80%，而在10.15GHz处，FSR-A模式的吸收率超过90%，FSR-T/R模式则低于15%。测量结果与仿真结果存在一定频偏，这主要归因于PIN二极管在高工作频段下的模型参数值与数据手册值的差异。研究者通过将二极管单独焊接到传输线上进行实验测定，修正了其等效电感和电容值。将修正后的二极管参数代入模型进行二次仿真，其S参数曲线与实测结果基本一致，这很好地解释了偏差来源。
本研究的结论具有重要的科学价值和应用前景。其科学贡献在于首次成功实现了单个可重构FSR在传输、反射和吸收三种基本电磁操控模式间的电控切换，填补了“三模式可切换FSR”的研究空白，并为复杂多层有源周期结构的等效电路分析和协同设计提供了成功范例。在应用价值方面，该多功能FSR展现出广阔的前景：传输模式可用于常规通信，反射模式可作为天线地面或用于高功率微波防护，吸收模式则可实现隐身和电磁兼容。这使得一个射频系统能够灵活应对侦查、通信、静默隐身等多种截然不同的作战任务需求，有望极大提升电子系统的集成度和战场适应能力。此外，研究指出，尽管当前设计为极化敏感结构，但通过旋转模型和改进偏置网络，该方法可以扩展至极化不敏感结构，为后续研究指明了方向。
本研究的主要亮点在于其高度的功能集成性与创新的结构设计。该研究首次在一个厚度仅约为三分之一波长的双层结构中，通过简洁的直流电压控制，实现了覆盖C、X波段的宽带吸波和Ku波段的开关式传输/反射/吸收功能，且在工作频带10.15GHz处具有优异性能指标。另一个亮点是其详实的等效电路分析方法，该方法清晰地揭示了ARS中的可移除阻抗极点与AFSS中可移动传输零点协同工作的物理机制，使得复杂的设计过程变得有章可循。此外，研究中针对PIN二极管高频模型参数不准确问题的修正测量方法，也为高频有源电磁结构的设计提供了宝贵的参考经验。