本文献是由Yi Du、Weiliang Yu、Yongqi Zhang、Leilei Liu、Xiaohong Zhang以及Guo Qing Luo等研究人员共同完成的一项原创性研究，发表于IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques期刊，第73卷第12期，2025年12月。研究机构主要包括杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，以及南京邮电大学射频集成国家与地方联合工程实验室。该研究得到了国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等项目的资助。
在现代军事通信和频谱监测系统中，天线通常工作在远低于雷达系统典型威胁频段以下的频率范围，例如30-1350 MHz以及L和S波段。这些超宽带天线系统面临着双重挑战：一方面需要具备带外隐身能力以降低被雷达探测的风险，另一方面需要有效防护高强度电磁干扰信号对系统造成的损害。
传统的频率选择吸波体（Frequency-Selective Rasorber, FSR）虽然能够实现低频传输和带外吸波，但无法区分入射信号功率的高低，因此不能为天线系统提供针对高功率干扰信号的保护。能量选择表面（Energy Selective Surface, ESS）通过在周期结构中引入PIN二极管等非线性阻抗器件，能够在低功率入射时传输信号，在高功率入射时屏蔽信号，但现有研究主要集中于带通型ESS，对于具有低频通带的高功率防护研究相对匮乏。这主要是由于两个根本性设计挑战：其一，宽带传输所需的极小寄生电容与有效防护所需的显著非线性特性之间存在固有矛盾；其二，在二维/三维结构中实现多级滤波的结构复杂性较高。
针对上述问题，本文提出了一种全新的带内吸收型能量选择吸波体（Band-Absorptive Energy-Selective Rasorber, B-A ESR）概念，旨在将带内吸收型频率选择吸波体（Band-Absorptive Frequency-Selective Rasorber, B-A FSR）的宽带吸波能力与能量选择表面的非线性行为相集成，从而为低频超宽带天线和通信系统提供电磁隐身与防护的一体化解决方案。
研究首先从等效电路模型（Equivalent Circuit Model, ECM）的分析入手，系统阐述了B-A ESR的设计原理。低通ESS的等效电路模型由一个电感L与一个PIN二极管D串联构成。在低功率入射条件下，二极管等效为一个小电容Coff，此时输入阻抗趋于无穷大，实现从直流到某截止频率的低插入损耗传输；随着频率升高，输入阻抗趋于零，形成反射频带。在高功率入射下，二极管导通并等效为一个小电阻Ron，此时传输被抑制，在低频段实现高屏蔽效能。
为将低通ESS转化为具备高频吸波能力的B-A ESR并改善高功率下的高频屏蔽效能，研究分析了三种吸波器的等效电路模型：吸波器I为窄带单谐振吸波，采用L1-C1-R1串联电路；吸波器II通过双谐振（L2-C2-R2和L3-C3-R3）展宽带宽；吸波器III则采用磁性材料实现吸波，其吸波性能取决于材料的电磁特性参数。
基于上述原理，B-A ESR可通过将低通ESS与吸波器集成实现，其中吸波器的金属接地面被低通ESS所取代。在低功率下，结构保持低通ESS的传输特性，同时吸波器在反射频带内产生宽带吸波；在高功率下，低频段实现高屏蔽反射，而吸波器仍维持高频段的吸波功能。
第一款B-A ESR原型基于商用磁性材料（LCXBXJ-12）设计，结构不含空气隔离层。低通ESS采用印制在Rogers RT5880基板上的十字交叉金属结构，加载8个SMP1330-040LF PIN二极管以实现双极化工作。每个二极管在低功率下等效为0.33 pF电容，高功率下等效为1.2 Ω电阻。
研究通过全波仿真和等效电路仿真详细分析了低通ESS在不同功率水平下的S参数特性。低功率下（1 mW），结构在1.1 GHz以下实现插入损耗≤1 dB的低通带，在4.47-12.64 GHz形成反射频带；高功率下（10 W），在7.83 GHz以下实现屏蔽效能≥10 dB。进一步地，研究考察了结构参数对性能的影响，包括金属线长度l2和二极管数量对谐振频率的影响。
磁性接地材料在3.2 mm厚度下实现了2.8-11.4 GHz的最优吸波，电路仿真与全波仿真结果吻合良好。将金属地板替换为低通ESS后形成完整的B-A ESR。低功率下该结构实现0-0.5 GHz的通带（插入损耗≤1 dB）和3.58-10.68 GHz的吸波频带（吸收率≥90%，相对带宽99.6%）；高功率下实现2.05 GHz以下的屏蔽频带（屏蔽效能≥20 dB）和2.38-7.93 GHz的吸波频带（相对带宽107.7%）。
为克服磁性材料吸波频带调谐灵活性不足的问题，研究提出了基于有耗层的第二款B-A ESR。该结构由低通ESS和有耗层组成，二者之间通过空气隔离层分隔。有耗层印制在Rogers RT5880基板上，顶层由四条曲折线和四个电阻Rt构成，底层由四条曲折线和四个电阻Rb构成。
研究通过分析接地有耗层的归一化输入阻抗，确定了目标吸波阻抗范围（反射系数|γ| ≤ 0.316），设计了2.7-8.76 GHz的吸波频带。电场分布仿真结果表明，顶层和底层的电阻分别在低频（3.5 GHz）和高频（8 GHz）吸收电磁能量，而顶层电阻主要负责中频（6 GHz）的能量吸收。
低功率下该结构实现0.58 GHz以下的通带（插入损耗≤1 dB）和3.79-8.87 GHz的吸波频带（吸收率≥90%，相对带宽80.3%）；高功率下实现7 GHz以下的屏蔽频带（屏蔽效能≥20 dB）和2.52-8.73 GHz的吸波频带（相对带宽110.4%）。
研究通过场路联合仿真模型分析了两种B-A ESR的非线性特性。随着入射功率从-10 dBm增加到50 dBm，两款原型在低频频段均实现了从传输到屏蔽的状态切换，峰值屏蔽效能分别达到21 dB和31.5 dB。在吸波频段内，吸收率在不同功率水平下均能维持在较高水平（约80%-95%）。
在角度稳定性方面，基于磁性材料的设计受益于磁性材料在TM极化下良好的角度稳定性，在低功率下TE极化可工作至30°、TM极化可工作至60°；基于有耗层的设计在TE极化下可工作至约45°、TM极化下约30°。
研究对两款B-A ESR原型进行了低功率和高功率环境下的实验验证。低功率测试中，低频段采用TEM平行板波导测试，高频段采用覆盖四个频段的波导测试（WR430、WR284、WR187、WR137）。高功率测试采用信号发生器、功率放大器和频谱分析仪组成的测试链路。
实验结果表明：原型I（基于磁性材料）的1-dB低通带低于790 MHz，吸波频带（吸收率≥90%）覆盖2.35-7.72 GHz，相对带宽达106.7%；原型II（基于有耗层）的1-dB低通带低于1.3 GHz，吸波频带覆盖3.7-8.17 GHz，相对带宽达75.3%。高功率测试中，原型I在4 GHz和6 GHz分别实现21 dB和20 dB的峰值屏蔽效能；原型II在4 GHz和6 GHz分别实现17.8 dB和31.5 dB的峰值屏蔽效能。两款原型的剖面高度分别仅为0.03λa和0.13λa。
本文提出并验证了一种新型带内吸收型能量选择吸波体（B-A ESR），通过将低通能量选择表面与吸波器（磁性材料或有耗层）集成，成功实现了低功率下的低频传输-高频吸波功能，以及高功率下的低频反射-高频吸波功能。与传统设计相比，该研究实现了功能集成度、吸波带宽和低剖面性能的显著提升。
从科学价值而言，该研究建立了B-A ESR的完整等效电路模型和阻抗特性分析框架，揭示了非线性器件与吸波结构协同工作的物理机理，为后续多类型能量选择吸波体的开发奠定了理论基础。从应用价值而言，该技术为低频超宽带天线和通信系统提供了一体化的电磁隐身与防护解决方案，能够有效应对复杂电磁环境中的探测威胁和高功率干扰，显著提升系统的生存能力。
本研究的核心亮点在于三个方面。首先，首次提出B-A ESR概念，在单一结构中同时实现了功率自适应的传输/反射切换和宽带吸波功能，突破了传统ESS仅具反射和FSR仅具线性响应的局限性。其次，双设计路线（磁性材料方案和有耗层方案）的对比验证展示了该概念的灵活性和可拓展性，为不同应用场景提供了优化选择。第三，研究所实现的高达106.7%的吸波相对带宽和低至0.03λa的剖面高度，在同类工作中处于领先水平。
此外，研究还进一步探讨了基于双层磁性材料的高角度稳定性B-A ESR设计方案，以及从理论上拓展了高通ESR、带通ESR、全通ESR和多频带ESR等多种可能构型，为未来多功能电磁调控表面的发展指明了方向。