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作者： Guangxu Qian、Junming Zhao、Xiaomei Ren、Ke Chen、Tian Jiang、Yijun Feng（南京大学电子科学与工程学院），Ying Liu（西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室） 发表期刊： IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 18, No. 12 发表时间： 2019年12月

研究背景与目的 在现代通信与雷达系统中，频率选择表面（Frequency Selective Surface, FSS）作为空间滤波器应用广泛。然而，传统的带通FSS在应用于天线罩（Radome）时，虽能透射带内信号，却会将带外信号反射至其他方向，增加了目标被探测的风险。为解决此问题，一种将带通FSS与雷达吸波结构（Radar Absorber Structure）相结合的“频率选择吸透一体结构”（Frequency-Selective Rasorber）应运而生。现有的大多数Rasorber设计存在工作频段固定、极化敏感或剖面较高等问题，且主要集中在较高微波频段，难以满足在P或L波段等低频电磁场景下对低剖面、双极化及功能可重构的需求。基于此，本文提出并实现了一种基于双层金属谐振结构阵列的低频、宽带、双极化、可切换的频率选择吸透一体结构/吸波器（Switchable Rasorber/Absorber），旨在通过引入PIN二极管（PIN Diode）实现吸波与带通透波两种工作模式的实时切换，以满足通信安全、电磁兼容及先进天线罩设计中的多功能需求。

详细设计与仿真流程 本研究的设计流程可分为三个主要步骤：首先设计宽带双极化吸波器，其次将其改造为具有固定透波窗口的Rasorber，最后通过加载有源器件实现功能可切换。 第一步，宽带双极化吸波器（Broadband Dual-Polarized Absorber）的设计。其单元结构如图1所示，由顶层的损耗层、空气间隔层和底层的金属背板组成。顶层损耗层的设计是亮点，它在一个方形环上集成了外侧枝节（Outer Stubs）和内侧枝节（Inner Stubs），并分别加载了160Ω和105Ω的电阻，用以在低频和高频吸收带产生谐振损耗。此外，中心贴片还引入了“X”形缝隙（X-shaped Slit），用于增加表面阻抗的容性，从而优化吸波器的带宽和厚度。研究团队建立了等效电路模型（Equivalent Circuit Model, ECM）以分析其工作原理，模型中用RLC串联电路表示不同枝节和电阻，用电容表示“X”形缝隙。通过ADS软件计算与CST全波仿真的对比，证明“X”形缝隙有效提升了性能，最终该吸波器实现了90%吸收率的分数带宽（Fractional Bandwidth）达117%，覆盖0.86至3.3 GHz。 第二步，宽带双极化Rasorber的设计。为实现吸收带内的透波窗口，需在吸波器结构上进行两项关键改动。如图3所示，在顶层损耗层和底层均引入方形缝隙（Square-Slot）结构。底层的金属背板被替换为带通FSS层，该FSS层被设计为在所需透波频率产生透射。等效电路模型表明，两个方形缝隙结构共同形成了并联LC谐振器（Parallel L22C22 和 L25C25），在特定频率点实现低阻抗特性，从而产生透射窗口。仿真结果显示，该Rasorber在0.77至3.4 GHz内反射系数（|S11|）低于-10 dB，同时在1.6 GHz处获得了一个插入损耗（Insertion Loss, IL）为1.5 dB的透射窗口。在三个谐振频点（低频吸收点f1、透波点f2、高频吸收点f3）的表面电流分布（Surface Current Distributions）分析进一步验证了这一机制：在f1和f3处，强电流分别流经外侧和内侧电阻性枝节，能量被大量耗散；而在f2处，两个方形缝隙处产生了几乎无损耗的并联谐振，实现了高效透波。 第三步，可切换的Rasorber/Absorber的实现。这是本研究的核心创新。为实现透波功能的开关，研究团队在底层FSS层的方形缝隙（Slot II）中集成了四个PIN二极管（型号SMP1345-079LF），它们呈十字形对称放置，并通过背面的偏置网络（Bias Network）和金属过孔（Metallic Via）进行直流馈电。其等效电路模型揭示了开关机理：在“关”（OFF）状态下，PIN二极管等效为一个小电容（0.12 pF）串联一个电感（1.2 nH），此时底层FSS层在1.6 GHz表现为带通特性，插入损耗仅0.2 dB；在“开”（ON）状态下，二极管等效为一个小电阻（1.5Ω）串联一个电感（0.7 nH），此时底层变为阻塞状态，整体结构恢复为吸波器。通过CST软件对整体结构在不同开关状态和不同极化下的仿真，结果验证了设计预期。在Rasorber模式（PIN管“关”）下，结构在1.6 GHz处实现了1.7 dB插入损耗的透波窗口，同时-10 dB以下吸收带为0.8至3.4 GHz，分数带宽124%。在吸波器模式（PIN管“开”）下，透波窗口消失，结构在0.8至3.4 GHz范围内吸收率大于85%。

实验结果与讨论 为验证设计，团队制作了一个包含1×6个单元（尺寸53×318 mm²）的原型样品，并在一个特制的TEM小室中进行了测试。测试采用时间门控（Time Gating）技术以减少多次反射效应。实验结果与仿真结果吻合良好。在PIN二极管“关”状态下，实测插入损耗在1.60 GHz时为1.7 dB，反射系数低于-10 dB的频带为0.8至3.2 GHz。在PIN二极管“开”状态下，结构在0.8至3.4 GHz内吸收率超过80%，吸收带宽达123.8%。实测与仿真之间观察到的微小差异可能源于样品制造的公差误差和集总元件的寄生效应。与先前发表的多项工作对比（见表一），本设计的突出优势在于实现了双极化、更低的剖面（最低工作频率的8%波长）、更宽的带宽以及开关功能的集成。研究也指出，相对较高的插入损耗主要由电阻层的谐振损耗以及单元内集成四个PIN二极管带来的额外损耗造成，这将是未来的改进方向。

结论与价值 本研究成功提出并验证了一种低频、宽带、双极化且可切换的频率选择吸透一体结构/吸波器。该结构通过将顶层损耗层与集成PIN二极管的底层可重构FSS层结合，仅需控制偏置电压，便能在Rasorber和吸波器模式间切换。其科学价值在于清晰阐述了运用等效电路模型指导多功能电磁超材料设计的系统方法，并通过表面电流分析深刻揭示了不同工作模式下的物理机理。其应用价值在于，该设计的工作频率可扩展至1 GHz以下，在通信、电磁兼容以及要求低可探测性的特种天线罩等领域具有巨大的应用潜力。摘要内容： 本研究亮点在于：1. 实现了低频段（P/L波段）内吸收带内嵌透波窗口的Rasorber设计。2. 通过在底层FSS中巧妙加载PIN二极管，在不增加额外复杂结构的前提下，实现了透波功能的电子开关，这是实现多功能重构的关键创新。3. 结构具有双极化、宽带（带宽超124%）、低剖面（厚度仅为最低工作频率波长的8%）等优异综合性能。