这是一项关于低剖面双频微波吸波器（Dual-Band Absorber, DBA）的原创性研究，发表于 Journal of Electromagnetic Waves and Applications 期刊2025年第39卷第9期，文章在线发布日期为2025年4月17日。该研究由 Kd. M. Raziul Islam、Ardavan Rahimian、Gabriel G. Machado 以及 Adnan Ahmad Cheema（均来自英国阿尔斯特大学工程学院）与 Muhammad Ali Babar Abbasi（来自英国贝尔法斯特女王大学无线创新中心）共同完成。通讯作者为 Ardavan Rahimian。本工作旨在解决现有双频吸波器设计中普遍存在的带宽窄、结构笨重、依赖空气间隙（air gap）和多层结构（multilayer structure）以及偏振敏感性受限等关键挑战。
一、 研究背景与目标
电磁（Electromagnetic, EM）吸波器作为一种空间滤波器，通过阻抗匹配（impedance matching）来最小化反射并捕获透射波，从而将电磁能转化为其他形式的能量。其在电磁兼容/电磁干扰（EMC/EMI）抑制、电波暗室、隐身技术、能量收集（energy harvesting）和传感等领域具有广泛的应用价值。传统的吸波器设计，如 Salisbury 屏（Salisbury screen）和 Jaumann 吸波器，因体积大、厚度高而逐渐难以满足现代应用对设备小型化和集成化的需求。相比之下，基于超材料（metamaterial）的吸波器凭借其低厚度、宽带宽、多频段谐振、偏振不敏感（polarization insensitivity）等显著优势而成为研究热点。
在许多需要屏蔽多个工作频段电磁信号的场景中，双频吸波器（DBA）备受关注。然而，已有研究尽管采用了多层结构、空气间隙和优化几何参数等多种策略，仍普遍存在工作带宽较窄的问题。此外，多数设计的偏振不敏感角度有限，往往局限于特定角度（如45度），且对空气间隙和多层结构的依赖不仅使其结构笨重，也大大增加了制造复杂性和成本。因此，在不需要空气间隙、多层结构且不显著增加厚度的前提下，开发出具有宽频带和全角度偏振不敏感特性的双频吸波器，成为了该领域一个亟需解决的关键研究目标。本研究正是基于此背景与挑战而展开。
二、 详尽的研究方法、设计流程与实验验证
为了实现上述目标，研究团队提出并详细研究了具备上述优点的吸波器。其研究流程严谨地包含了单元胞（unit-cell）设计与吸收原理分析、全波电磁仿真（full-wave simulation）及参数优化、原型制造与实验测试三大核心环节。
（1）单元胞设计与吸收原理 所提出的DBA单元胞尺寸紧凑，为 $20 \times 20 \, \text{mm}^2$，整体结构被精心设计在一个没有空气间隙的单层构架上。其顶层谐振层（top resonator layer）包含三种精心布局的金属结构： * 倒置旗形（inverted flag-shaped, FS）元件：在单元的四个象限内对称布置，形成90度旋转对称的结构，以实现偏振不敏感。每个FS元件上都有一个长 $2 \, \text{mm}$ 的金属间隙，并在其上跨接了一个 $100 \, \Omega$ 的集总电阻（lumped resistor），共计4个电阻。这些电阻是拓展吸收带宽的关键。 * 边缘相接的矩形贴片（edge-touching rectangular structures, RS）：四个矩形贴片分布在单元边缘，用于辅助调控高频段吸收性能。 * 中央方形贴片（central square patch, SS）：位于单元正中心的一个方形金属片，同样作用在高频段带宽的拓展和性能优化上。
底部则是一块连续完整的 $0.035 \, \text{mm}$ 厚金属接地平面（ground plane）。厚度仅为 $1.6 \, \text{mm}$ 的 FR4 介质基板（相对介电常数 $\varepsilon_r = 4.3$，损耗角正切 $\delta = 0.008$）将顶层与底层隔开。
吸波原理在于，当电磁波入射时，通过精确设计顶层的谐振结构，使其等效输入阻抗（input impedance）在目标频段内与自由空间的阻抗（$377 \, \Omega$）相匹配。此时，根据公式 $\Gamma(\omega) = \frac{Z(\omega) - Z_0}{Z(\omega) + Z_0}$，反射系数 $\Gamma(\omega)$ 将最小化。同时，底部的金属接地平面确保了透射率 $T(\omega) = 0$。根据吸波率计算公式 $A(\omega) = 1 - \Gamma(\omega) - T(\omega)$，即可实现近乎完美的电磁波吸收。
（2）全波模拟仿真、结构演化与参数分析 研究团队使用电磁仿真软件 Ansys HFSS，基于周期边界条件（periodic boundary condition）和 Floquet 端口（Floquet port）激励，对单元胞结构进行了全波模拟和迭代优化。设计演化过程分为三个关键阶段，逐步逼近最优性能： * 第一阶段：仅在四个象限放置带有电阻的FS元件。模拟结果显示，该结构在9.45 GHz和14.14 GHz处降低了共极化（co-polarized）反射，但其工作带宽相对较窄。 * 第二阶段：在第一阶段的基础上，于单元中心增加SS贴片。此步骤成功地将高频段的带宽拓宽至13.26–14.69 GHz，但同时也导致了共极化反射的增加。 * 第三阶段（最终设计）：引入四个RS元件。最终的结构克服了前两阶段的不足，成功在目标频段内将共极化反射系数 $S_{11}$ 降低至 $-10 \, \text{dB}$ 以下，实现了9.14–9.7 GHz和12.18–13.50 GHz的双频宽带吸收。
为了深入理解各几何参数对吸波性能的独立影响并验证设计规律，研究进行了详细的参数分析： * 中央贴片宽度 $w_3$：当 $w_3$ 从 3.5 mm 增加到 4.5 mm 时，高频段 ($f_2$) 明显向低频移动，而低频段 ($f_1$) 几乎不变，表现出对高频谐振的独立调谐能力。最优值在 $w_3 = 4 \, \text{mm}$。 * 矩形贴片参数 $i_3$：该参数主要影响高频段 ($f_2$) 的吸收带宽和强度，调整它可以对 $f_2$ 进行频率搬移和性能优化。最优值为 $i_3 = 4.2 \, \text{mm}$。 * FS元件参数 $w_2$：调整 $w_2$（3至4 mm）会同时影响 $f_1$ 和 $f_2$ 两个频段，表明其对整体谐振频率的耦合效应。最佳性能在 $w_2 = 3.6 \, \text{mm}$ 处取得。 * 电阻值 $R$：通过对比有电阻和无电阻的吸波器性能，研究揭示了集总电阻的关键作用。不加电阻时，低频段吸收幅度很低，高频段带宽也窄。当电阻值偏离最优的 $100 \, \Omega$（增大或减小）时，两个频段的吸收率均会下降，证明了精确选择电阻值对实现完美吸收至关重要。
此外，通过分析在中心频率 9.42 GHz 和 12.84 GHz 处的表面电流（surface current）和电场（electric field）分布，进一步验证了物理机制：在低频谐振点，强电流集中于FS元件；而在高频谐振点，电流和电场扩展至SS和RS元件，从而解释了高频段带宽更宽的现象。电场在集总电阻上的聚集也再次证实了其对拓展带宽的贡献。
三、 主要实验结果与性能评估
为了验证仿真设计，研究团队制作了一个由 $10 \times 10$ 个单元胞组成，尺寸为 $200 \times 200 \, \text{mm}^2$ 的 DBA 原型。使用型号为 CRCW1206100RFKEA 的1206封装贴片电阻焊接到位。实验测试采用是德科技矢量网络分析仪（VNA, 8361C PNA）以及两个标准增益喇叭天线，在正常入射条件下分别测量了横电（TE）和横磁（TM）模式下的共极化和交叉极化（cross-polarized）反射系数。
实验结果显示，实测结果与仿真结果吻合良好。 * TE模式：仿真吸收频带为 9.1–9.7 GHz（带宽0.6 GHz）和 12.19–13.48 GHz（带宽1.29 GHz）。实测吸收频带为 8.67–9.7 GHz（带宽1.03 GHz）和 12.53–14.29 GHz（带宽1.76 GHz）。实测带宽甚至比仿真更宽，但高频段向更高频率略有偏移。 * TM模式：表现出与TE模式相似的特性，高频段同样存在向高处轻微偏移的现象。
文章指出，此微小频偏主要由实际焊接的大尺寸电阻器在高频下产生的寄生电感效应所致，同时非理想的测试环境、制造公差和焊接精度也是可能的原因。
在偏振敏感性方面，仿真结果表明，在TE和TM模式下，当电磁波的偏振角（polarization angle）从 0 度变化至 90 度时，吸收光谱保持高度一致，证实了该吸波器具备全角度（$0^\circ$–$90^\circ$）偏振不敏感特性。然而，其斜入射（oblique incidence）性能表现不同：在低频段，入射角（incident angle）变化至30度时吸收率仅有微小波动；但在高频段，当入射角超过10度时，TE和TM模式之间的差异开始变大，这归因于该结构的周期尺寸相对于高频工作波长较大的原因。
四、 研究结论、价值与亮点
本研究成功设计、制造并实验验证了一款新颖的低剖面双频微波吸波器。其核心结论与价值在于： 1. 显著的性能突破：该吸波器在X和Ku波段实现了双频宽带吸收（9.14–9.7 GHz和12.18–13.50 GHz），吸收率超过90%。其最大亮点在于，是在厚度仅为 $1.6 \, \text{mm}$（约为高频截止波长的0.06倍）的极薄单层结构上实现的，并且完全消除了对空气间隙和多层结构的依赖，仅使用了4个集总电阻。 2. 优异的物理特性：该吸波器具备对TE和TM极化波的全角度偏振不敏感特性，大大提升了其实际部署的灵活性。同时，其吸收带宽具有可调谐性（bandwidth tunable），通过调整单元胞的特定几何参数（如 $w_3$ 和 $i_3$），可在一定程度上控制吸收频带的位置和宽度。 3. 详细的物理解释：通过设计演化过程、表面电流和电场分布分析，清晰阐述了FS、SS、RS各部件及集总电阻在实现谐振、拓展带宽和增强吸收强度中的协同工作机制。 4. 重要的应用前景：鉴于其低剖面、单层、无空气间隙、宽带、偏振不敏感等综合优势，该吸波器在电磁能量收集和射频隐身技术等领域具有广阔的应用潜力。
简而言之，本研究通过与同类工作的全面比较（见表1），突显了其在实现小型化、轻量化、宽带化和偏振不敏感方面的综合领先性，为下一代高性能、易集成的电磁吸波器设计提供了一种开创性的有效范例和思路。