该研究由来自吉林大学机械与航空航天工程学院及数控装备可靠性教育部重点实验室的Chenglong Wang、Shijun Ji、Ji Zhao、Handa Dai，以及吉林大学通信工程学院的Zhenze Liu共同完成。通讯作者为Shijun Ji。该研究成果于2024年5月24日发表在期刊《Physica Scripta》上。

本研究属于电磁超材料（metamaterial）与电磁波吸收器领域。传统电磁波吸收器，如Salisbury吸收器和铁氧体吸收器，虽然能够吸收电磁波，但通常存在体积大、重量重或厚度较厚等缺点。超材料吸收器（Metamaterial Absorber, MMA）因其轻薄、体积小、重量轻的优势而成为研究热点。然而，许多现有的双频段超材料吸收器在入射角增大时，其吸收性能会显著衰减，这限制了其在实际应用中的效能，例如在雷达天线和卫星通信中，电磁波往往并非垂直入射。因此，本研究旨在设计一种不仅具有高吸收率、对极化不敏感的双频段完美超材料吸收器，而且还具备独特的“入射角增益”特性，即在斜入射条件下，吸收性能非但不衰减，其带宽还能得到展宽。

该研究的工作流程主要包括结构设计与原理分析、仿真模拟与性能分析、参数优化、以及最终的实验制备与验证四个阶段。

第一阶段是结构设计与原理分析。研究者提出了一种典型的三层金属-介质-金属（metal-dielectric-metal）夹层结构。底层是连续的铜金属板作为接地平面，用于完全阻挡电磁波透射。中间介质层采用厚度为1.5毫米的FR-4材料，其介电常数为4.3，损耗角正切为0.025。顶层的金属谐振结构由铜构成，厚度0.1毫米，是设计的核心。该顶层图案由一个分裂圆环（split circle ring）、两个正交交叉的方形环（intersecting square rings）和一个中心圆环（circle ring）组合而成。整个单元晶胞（unit cell）的周期尺寸为10毫米。研究者采用分步设计的方法来优化这一谐振结构：设计I使用两个同心圆环，仅产生单个吸收峰；设计II在外环上对称增加四个开口，增强了低频处的局部谐振，导致吸收峰蓝移；设计III增加了方形环，通过耦合效应增强了低频和高频的吸收率；设计IV再增加一个旋转45°的方形环，进一步增强了耦合，最终实现了性能优异的双频吸收。为了从电路角度解释吸收原理，研究者还建立了一个等效电路模型（Equivalent Circuit Model, ECM），将顶层三个谐振结构等效为三个RLC电路，并用并联电容元件（C4, C5）表示它们之间的互耦，介质层等效为接地电容（C6）。该模型在仿真软件ADS中构建，计算的反射系数S11与CST软件仿真结果在峰值频率和幅度上吻合良好。

第二阶段是仿真模拟与性能分析。研究者使用计算机仿真技术（Computer Simulation Technology, CST）微波工作室软件，对设计的吸收器进行全尺寸模拟。电磁波沿z轴方向垂直入射。吸收率A(ω)通过公式A(ω) = 1 - R(ω) - T(ω) = 1 - |S11|²计算，由于底层金属板的存在，透射率T(ω)为零。结果显示，该吸收器在12.06 GHz和19.07 GHz处产生两个完美吸收峰，吸收率分别高达99.95%和99.73%。通过分解研究，确认12.06 GHz的吸收峰主要由分裂圆环和交叉方形环的耦合贡献，而19.07 GHz的吸收峰主要由内部圆环和交叉方形环的耦合贡献。为了阐明完美吸收的物理机制，研究者分析了吸收器的电磁响应。阻抗匹配分析表明，在两个谐振频率处，吸收器的相对阻抗的实部接近1，虚部接近0，实现了与自由空间的完美阻抗匹配，从而最小化了反射。进一步分析其等效介电常数（equivalent permittivity）和等效磁导率（equivalent permeability），发现在吸收频率处二者相等，证实了阻抗匹配的实现。电场、磁场和表面电流分布图清晰地揭示了吸收机理：在谐振频率处，顶层谐振器上下表面的电流反向，形成电偶极子，产生电谐振；同时，顶层与底层金属板之间电流反向，构成磁偶极子，产生磁谐振，二者共同作用实现了对入射电磁波的强吸收。

第三阶段是性能分析与参数优化。研究者深入探究了该吸收器在不同工作模式下的性能。得益于结构的四重旋转对称性（quadruple symmetry），该吸收器在横电波（Transverse Electric, TE）和横磁波（Transverse Magnetic, TM）两种模式下，对不同极化角（φ）的响应几乎一致，表现出优异的极化不敏感性。在入射角（θ）稳定性研究中，发现了关键的“入射角增益”效应。在TE模式下，随着入射角从0°增大到75°，虽然原本的低频吸收峰会有所下降，但在其附近会激发出新的吸收峰，同时高频吸收峰基本保持不变，整体效果是吸收带宽得到了显著拓宽。通过分析斜入射角度下的电场分布，研究者发现，入射角的变化减弱了谐振结构间的耦合，但增强了单个谐振器自身的局部谐振，从而产生了新的吸收峰。在TM模式下，当入射角小于60°时，高频吸收峰（第二吸收峰）的吸收率仍能保持在98%以上，表现出良好的广角稳定性。此外，研究者还系统分析了顶层谐振结构的关键尺寸参数对吸收性能的影响，例如，增大分裂圆环的外径r1，第一吸收峰频率红移；增大分裂环开口宽度g，第一吸收峰频率蓝移；增大内部圆环外径r3，第二吸收峰频率红移。这些规律与电磁场分析结果相互印证，为设计优化提供了指导。

第四阶段是实验制备与验证。为了验证仿真结果，研究者采用印刷电路板（Printed Circuit Board, PCB）工艺制造了一个尺寸为150毫米×150毫米的实验样品。实验采用拱形法（Arch method）来测量样品的反射率，使用一对连接矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer）的喇叭天线，频段覆盖10-18 GHz和18-40 GHz。以相同尺寸的铜板作为反射参考基准。实验结果显示，样品在11.64 GHz和17.98 GHz处出现两个明显吸收峰，吸收率分别为99.98%和99.26%，与仿真结果高度一致，最大吸收率误差仅为0.47%。频率误差在5.72%以内，吸收峰锐利度略有下降，这些细微差异主要归因于样品制造误差、材料实际电磁参数与仿真设定的偏差、以及测试中天线与样品法线间初始约5°的夹角等环境因素。更关键的是，对0°至40°斜入射的吸收谱测试证实，在TE模式下确实有新的吸收峰产生，且吸收率很高，这有力地验证了仿真中发现的入射角增益特性。

本研究结论是成功设计并实验验证了一款应用于K波段和Ku波段的宽角度极化不敏感双频完美超材料吸收器。该吸收器在12.06 GHz和19.07 GHz处实现了近乎100%的吸收。其核心科学价值在于发现了TE模式下的入射角增益特性，即随着入射角增大，吸收带宽显著展宽，这一现象的物理机制被详细阐述。其独特的结构对称性赋予了它优异的极化不敏感性。该研究的亮点包括：所提出的结合分裂圆环、交叉方形环和中心圆环的复合谐振结构具有创新性；在TE模式下发现了能通过增加入射角来展宽吸收带宽的“入射角增益”这一特殊物理现象，并进行了详细的物理机制分析及实验验证；制备的器件兼具高吸收率、双频段、极化不敏感和宽角度适应性等多重优异性能。这些特性使其在雷达天线、卫星通信和传感等相关领域具有重要的应用价值。