本文属于类型a，即关于单一原创研究的学术论文。以下是对该研究的综合性学术报告。

基于三维带通频率选择结构的混合吸透一体设计研究 作者： Mengyao Li 和 Zhongxiang Shen (Fellow, IEEE) 发表期刊： IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 23, No. 12, December 2024

一、研究背景与目的

在现代天线系统中，雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS）的缩减一直是学术界和工业界长期关注的核心议题。为了实现这一目标，频率选择吸透一体（Frequency Selective Rasorber, FSR）的概念被提出。FSR巧妙地融合了天线罩（Radome）的带内透波功能和吸波器（Absorber）的带外隐身功能，能够在保持天线工作频带内信号低损耗传输的同时，有效吸收带外杂散波，从而显著降低系统的整体RCS。

现有的FSR按几何结构主要分为二维（2-D）和三维（3-D）两大类。二维FSR通常由顶层损耗层和底层带通频率选择表面（Frequency-Selective Surface, FSS）组成，两者之间由空气层隔开。其优点是易于实现双极化工作，且能以较低的结构厚度实现吸收-透射-吸收的频率响应，但其透波窗口往往较窄。三维FSR则基于单元内的多传播模式，构建独立的传输和吸收通道，通常能实现宽带透波和稳定的角度响应，但其结构复杂、对极化方向敏感，并且整体厚度较大。

针对上述技术瓶颈，Li和Shen在2024年发表于《IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters》的这篇论文中，提出了一种创新的混合型FSR设计。该研究的核心目标是融合二维和三维FSR各自的优势，在保持低剖面、双极化的前提下，实现一个具有宽吸收带内低损耗、平坦透波窗口的吸收-透射-吸收响应特性。

二、研究设计与工作流程

该混合FSR的设计流程分为两个紧密关联的步骤：首先设计一个作为反射地板的3-D带通FSS，然后在其上方级联一个2-D损耗层以构建完整的FSR。

步骤一：3-D带通FSS的设计与机理分析

研究者首先设计了一种能够产生二阶带通滤波响应，并作为后续损耗层反射地板的3-D FSS。这一设计的独特之处在于，它利用了垂直排列单元间的互耦合来激发额外的传播模式，从而实现高阶滤波响应，这是3-D FSS的独特能力。

具体结构如图1所示，为实现双极化工作，沿x轴和y轴分别布置了完全相同的谐振器。该谐振器为一种叉指结构（Interdigital Resonator），可在特定频率点通过并联电感（Inductor）和电容（Capacitance, C）产生无穷大阻抗，从而形成一个传输极点（Transmission Pole）。该结构的电感主要由中间长条的长度和宽度决定，电容则由叉指短条的长度决定。

通过对图2中散射参数（Scattering Parameters）的仿真分析可以发现，该带通FSS产生了两个反射零点（Reflection Zeros），分别位于10.42 GHz和12.33 GHz，对应两个传输极点。这两个反射零点共同作用，形成了一个8.56 GHz至12.38 GHz的平坦透射窗口，插入损耗（Insertion Loss）低于1 dB，相对带宽（Fractional Bandwidth）达36.5%。

为了深入剖析两个反射零点的产生机理，研究者对一个仅有真空背衬的单极化叉指谐振器进行了电场分布研究。结果揭示，在第一个谐振频率（fz1）处，单元间的电场主要集中在水平方向，沿y方向的场强可忽略不计。而在第二个谐振频率（fz2）处，由上下贴片间的耦合激发了另一个传播模式，电场在空气域中心呈现一个零点（Null），且沿y方向的场强不可忽略。这两种不同的传播模式共享同一个并联谐振器，从而产生了二阶带通响应。

基于此机理，研究者发现两个反射零点可独立调节。如图6所示，调整中间长条的长度l1主要影响第一谐振频率，而调整真空间隔距离d则主要控制由互耦产生的第二谐振频率，对第一谐振影响甚微。这为精确设计滤波器通带提供了强大的调控自由度。

步骤二：集成混合吸透一体（Hybrid FSR）的设计

在完成底层的3-D带通FSS后，研究者在顶部级联了一个2-D损耗层，以构建完整的混合FSR（如图7所示）。损耗层的图案印刷在Rogers RO4003C基板上，由四个蜿蜒臂（Meander Arms）构成，旨在产生一个靠近底部FSS通带中心频率的并联LC谐振，确保集成FSR在通带内具有良好的透波性。通过加载0201封装的220Ω集总电阻（Lumped Resistors），并并联0.02 pF电容以补偿电阻在高频下的寄生效应，该电阻加载条带用于吸收通带两侧的无用电磁波。该损耗层采用中心对称设计，从而保证了FSR整体的极化不敏感特性。

对集成FSR进行全波仿真（Full-Wave Simulation）获得的散射参数及吸收率（如图8(a)所示）表明，该设计在4.2 GHz至16.8 GHz的超宽频带内实现了低于-10 dB的反射系数，相对带宽高达120%。同时，在9.8 GHz至12.2 GHz频率范围内，形成了一个插入损耗低于1 dB的透波窗口（相对带宽21.8%），且在11 GHz处实测可实现低于0.1 dB的最小插入损耗。这一结果成功验证了“吸收-透射-吸收”的设计目标。值得注意的是，该FSR总厚度仅为6.762毫米，约为最低工作频率4.2 GHz处的0.09个波长，远低于传统3-D FSR，展现了“混合”设计的厚度优势。

研究还发现，损耗层与3-D FSS之间的介质高度hadd对吸收性能有显著影响。较大的hadd值有利于低频段的吸收带宽和幅度，因此需要在低频和高频性能之间进行权衡。最终选取的hadd值为2毫米。

三、实验验证与主要结果

为验证仿真设计，研究者加工了一个包含25×25个单元的FSR原型（侧长225毫米），并进行了详尽的实验测量。

1. 3-D带通FSS测量结果： 在没有损耗层的情况下，首先对二阶带通FSS的散射参数进行了测量（图11(a)）。结果显示，测量到的反射系数中清晰地观察到两个谐振点，且谐振频率与仿真结果吻合良好。微小的偏差主要源于焊接、安装误差及不可避免的截断效应。
2. 集成FSR的测量结果： 在法向入射（Normal Incidence）下，集成FSR的实测结果（图11(b)）与仿真趋势一致。反射系数低于-10 dB的频带范围实测为4.18 GHz至16.73 GHz，带宽约120%；插入损耗小于1 dB的透波窗口实测为9.74 GHz至11.94 GHz（相对带宽20.3%）。高频段的吸收性能略有退化，这可能是由于安装过程中损耗层与底层FSS之间存在不可避免的空气间隙所致，而前述分析已表明，空气间隙的增大会提升低频性能，而对高频性能有所折损。
3. 斜入射性能测量： 在45°斜入射条件下（图11©和(d)），无论是横电（TE）还是横磁（TM）极化，实测结果的总体趋势均与仿真吻合。TE极化下，9.1 GHz因蜿蜒臂强耦合出现一个尖峰，传输性能有所下降；TM极化下，45°角入射时通带内的两个反射零点有合并趋势，导致通带变窄，高频过渡带的反射幅度增大。尽管如此，该FSR在宽达45°的入射角范围内仍表现出相对稳定的频率响应。

四、研究结论与意义

该研究提出并实验验证了一种创新的混合型频率选择吸透一体设计。该方法首次成功整合了2-D和3-D FSR的技术优势：利用3-D结构的多模特性构建二阶带通FSS，获得了平坦且宽带的透波窗口和优异的带外抑制；同时，通过级联2-D损耗层，轻易实现了双极化工作，并维持了仅0.09个波长的超低剖面厚度。

与现有文献的对比（如表I所示）进一步凸显了本设计的优越性。相较于通过堆叠多层平面FSS的传统2-D FSR，本设计在不增加厚度的情况下，显著展宽了透波窗口；相较于传统基于独立传输/吸收通道的3-D FSR，本设计在极大降低结构厚度的前提下，实现了双极化操作、低插入损耗和可观的带宽性能。

该研究的科学价值在于揭示了3-D结构多传播模式耦合形成高阶滤波响应的物理机制，并提出了2-D损耗层与3-D带通FSS混合集成的创新设计范式。其应用价值在于为天线系统提供了一种高性能的隐身/透波一体化解决方案。该混合FSR在保证天线正常通信的频带内实现超低损耗透波的同时，能在极宽的频带内全方位吸收带外散射波，大幅降低天线系统的RCS，有望应用于对系统集成度、隐身性能和通信质量有严苛要求的先进无线通信和雷达系统中。

五、研究亮点

1. 设计概念创新性： 首次将2-D和3-D FSR两种技术路线进行有机融合，开辟了“混合”FSR这一新设计方向，成功突破了两种技术固有的局限性。
2. 工作机理新颖性： 深入阐释了3-D FSS中由垂直互耦激励的多传播模式产生的二阶滤波响应的机理，并实现了两个谐振频率的独立调控，这是实现宽带、平坦透波窗口的关键。
3. 性能的突破性： 在保持低插入损耗（最低<0.1dB）和超薄结构剖面（0.09波长）的同时，实现了宽吸收带（120%）内的宽带透波窗口（21.8%）和双极化工作能力，综合性能显著优于以往研究。