本文介绍一项发表于《IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters》期刊2021年7月第20卷第7期的最新研究，论文标题为“A 2.5-D Miniaturized Frequency-Selective Rasorber with a Wide High-Transmission Passband”（一种具有宽高传输通带的2.5维小型化频率选择吸波器）。该研究由西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室、信息感知与理解协同创新中心的杨泽乾、姜文（IEEE会员）、黄邱林和洪涛（IEEE会员）合作完成。

本研究的学术背景属于电磁场与微波技术领域，具体涉及频率选择表面（Frequency-Selective Surface, FSS）及雷达隐身技术。传统的带通FSS应用于隐身天线罩时，能够传输带内电磁波并将带外波反射至非威胁方向，从而在不恶化天线系统辐射性能的前提下降低单站雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS）。然而，随着雷达探测技术和多站雷达系统的广泛发展，仅降低单站RCS已无法满足现代隐身装备的需求。相比之下，频率选择吸波器（Frequency-Selective Rasorber, FSR）兼具吸收带外信号的能力，可同时降低单站和双站RCS，因此在隐身技术中具有重要应用潜力，近年来备受关注。当前研究趋势是追求更宽的工作带宽，以适应雷达系统中天线阵列的宽带化发展趋势。因此，兼具宽高传输（|S21| < 1 dB）通带和双吸收带的FSR成为亟需。然而，此前报道的具有宽通带的FSR多为三维（3-D）结构，虽然性能优越，但存在剖面高、成本高、结构复杂等问题，在空间受限或共形设计场景中实用性不足。而现有的二维（2-D）FSR，其1 dB通带相对带宽通常仅约30%，与宽带天线系统的工作带宽相比仍显不足。基于此，本研究旨在设计一种新型的2.5维小型化FSR，其核心目标是获得目前报道中最宽的1 dB高传输通带，并保持良好的双吸收带及斜入射性能。研究同时深入探讨其工作原理，通过建立精确的等效电路模型（Equivalent Circuit Model, ECM）为设计提供物理层面的深刻见解。

本研究的详细工作流程包含设计、分析、仿真与实验验证等多个环节，具体步骤如下： 首先，研究团队基于实现宽传输通带的基本指导原则展开设计。文中指出，从FSR的通用等效电路模型分析可知，传输系数S21趋近于1的条件是等效阻抗Zr的虚部趋于无穷大。通常，为实现良好的吸收性能，Zr的实部为有限值，而其虚部由频率、等效电感和电容决定。为了获得更宽的高传输（定义为S21 > -0.5 dB）通带，需要满足等效阻抗虚部大于2.5倍自由空间阻抗（Z0）的条件，这要求谐振结构具有高的品质因数Q值（即更大的等效电感和更小的等效电容）。基于此分析，研究提出采用2.5维结构来实现这一目标。2.5维结构通过引入金属化过孔（via）可以显著增大等效电感；同时，通过将金属条带交替排布在介质基板的两侧，可以有效减小金属条带间的正对长度，从而降低等效电容。这种结构完美契合了实现宽高传输通带的要求。 其次，基于上述原理，研究团队设计了具体的2.5维FSR结构。该FSR单元结构如图2所示，由一个有损层和一个无损耗层构成，中间以5.5 mm的空气间隔隔开。两个层均加工在介电常数εr=3.5的F4B介质基板上。有损层是设计的核心：在加载集总电阻的T型金属条带中心，构建了一个2.5维的卷曲折叠谐振器。该谐振器的金属条带通过金属化过孔连接，并交替放置在0.508 mm厚基板的两侧。为了覆盖有损层的通带，无损耗层采用了一个三层带通FSS结构，由两个2 mm厚基板上的方形金属贴片以及中间一个带方槽的方形金属贴片构成。在仿真阶段，研究使用高频结构仿真器（HFSS）对设计的FSR单元进行全波电磁仿真，分析其在不同极化（TE和TM）和不同入射角下的反射系数（S11）、传输系数（S21）和吸收率（Absorption Rate, AR）。仿真结果表明，该FSR具有双极化特性，其1 dB传输通带为7.81至11.78 GHz，相对带宽达到40.53%，最小插入损耗为0.19 dB（在9.04 GHz处）。同时，该结构具有两个吸收率超过80%的吸收带，分别覆盖3.67–6.80 GHz和13.74–15.31 GHz。在斜入射角度达到30°时，其通带和吸收性能在TE和TM极化下均保持稳定。 第三，为了深入理解所提出FSR的工作机制，研究团队开发了一套精确的等效电路模型（ECM）并进行了详细分析。建立ECM的关键在于分析2.5维卷曲折叠谐振器。研究人员通过分析TE和TM极化在中心频率（9.04 GHz）下的表面电流和电场分布，发现由于其几何对称性，ECM也应具有对称性，因此只需分析上半部分结构。首先，在不考虑金属过孔效应的情况下，分析了平面金属条带的电流和电场分布，得到了金属条带部分的初始ECM。随后，加入了金属过孔引入的额外电感和电容效应：过孔本身贡献了额外的串联电感，而过孔行与行之间则引入了并联电容。通过将这些效应整合到初始ECM中，最终得到了完整有损层的ECM。无损耗层的ECM则由两个串联LC谐振电路和一个并联LC谐振电路组成。将两部分ECM与空气间隔的传输线模型相结合，便构成了整个FSR的完整ECM（图10a）。研究使用先进设计系统（ADS）软件对ECM进行电路仿真，并将结果与HFSS的全波电磁仿真结果进行对比。两者在4至13 GHz频率范围内高度吻合，证明了该ECM的准确性。高频段的微小差异被归因于模型中忽略了垂直于电场方向的过孔之间的寄生电容，该效应随频率升高而增强。 最后，为验证仿真结果，研究团队制作了一个尺寸为240 mm × 240 mm的原理样件（图11），并在微波暗室中进行了测量。测量系统使用矢量网络分析仪连接放置在FSR远场区域的发射和接收天线，以获取其反射和传输系数。测量流程参考了团队先前的工作。测量结果（图12）与仿真结果基本一致：在TE极化正入射下，测得的1 dB传输通带为8.01至12.16 GHz（相对带宽41.15%），略微向高频偏移，这被归因于加工误差。测得的S11 < -10 dB的工作频带覆盖了4.62–6.57 GHz、7.80–12.68 GHz和13.79–15.35 GHz。在30°斜入射下，TE和TM极化下的1 dB传输通带也分别覆盖了8.05–11.75 GHz和8.00–11.93 GHz，证明了其良好的角度稳定性。测量与仿真之间的细微差异源于加工和测量误差。

本研究取得的主要结果如下：首先，仿真结果明确展示了所设计的2.5维FSR实现了从7.81 GHz到11.78 GHz的1 dB传输通带，相对带宽高达40.53%，这是当时已发表FSR中最宽的。同时，它在3.67–6.80 GHz和13.74–15.31 GHz两个频段实现了超过80%的吸收率，形成了有效的双吸收带。其次，斜入射仿真结果表明，该结构在高达30°的入射角下，无论是TE还是TM极化，其通带性能和吸收性能均保持稳定，展现了良好的角度鲁棒性。第三，通过对比有损层在有无金属过孔两种情况下的仿真结果（图3a），研究证实了引入金属过孔能有效拓宽有损层自身的1 dB通带带宽（从31.59%提升至38.79%），这直接支撑了采用2.5维结构以拓宽通带的初始设计理念。第四，等效电路模型的成功建立与验证（图10b）是本研究的重要理论成果。该模型不仅能够精确预测FSR的频率响应，更重要的是，它从电路原理层面清晰地揭示了2.5维结构（通过引入过孔增加电感、通过交替排布减小电容）如何实现高Q值谐振，从而产生宽高传输通带的内在物理机制。这些结果为后续的优化设计和性能分析提供了强有力的理论工具。第五，实验测量结果与仿真预测高度吻合，尽管存在因加工导致的轻微频移，但宽通带、双吸收以及角度稳定的核心特性均得到了证实，有力地验证了整个设计流程的正确性和结构设计的有效性。这些结果逻辑严密，从原理分析到结构设计，再到模型解释和实验验证，层层递进，共同指向并证实了研究的最终结论。

本研究的结论是：成功设计、分析、制作并测试了一种新型的2.5维小型化频率选择吸波器。该FSR在保持紧凑二维剖面（2.5-D）的前提下，实现了迄今为止已报道FSR中最宽的1 dB高传输通带（7.81–11.78 GHz，相对带宽40.53%），同时具备两个宽吸收带（3.67–6.80 GHz和13.74–15.31 GHz，吸收率>80%）以及良好的双极化和斜入射稳定性。研究的科学价值在于，它不仅提出了一种高性能的FSR新结构，更重要的是通过详尽的等效电路建模，深入阐明了2.5维结构（利用过孔和交替布局）在拓宽通带方面的物理机理，为同类器件的设计提供了明确的理论指导和设计范式。其应用价值则体现在，这种兼具宽通带、强吸收、低剖面和稳定性能的FSR，非常适合应用于对隐身和天线辐射性能均有严苛要求的现代宽带雷达系统中，例如先进战机的共形天线罩或舰载雷达平台，能够有效降低其在宽频带范围内的单站和双站RCS，提升装备的战场生存能力。

本研究的亮点突出体现在以下几个方面：第一，性能突破：实现了当时已报道FSR中最宽的1 dB高传输通带（40.53%相对带宽），这是一个显著的性能记录。第二，结构创新：创造性地将2.5维卷曲折叠谐振器结构应用于FSR设计，通过金属过孔和条带交替布局，巧妙地实现了高等效电感和低等效电容，从而满足了宽通带对高Q值的要求。第三，机理阐释深刻：研究没有停留在性能仿真，而是建立了非常详细和准确的等效电路模型，从电路理论层面透彻地解释了结构每一部分（包括过孔效应）的工作原理，使设计从“经验尝试”上升到“理论指导”的层面。第四，综合性能优异：在取得宽通带的同时，没有牺牲其他关键性能。该设计同时实现了双宽吸收带、良好的角度稳定性以及双极化特性，体现了出色的综合设计水平。第五，完整的验证链：研究包含了从理论分析、仿真优化、等效电路建模到实物加工与测试的完整流程，验证充分，结论可靠。

此外，文中通过表格（Table I）将所提出的FSR与之前报道的具有宽通带的FSR进行了全面对比，从通带带宽、吸收带宽、剖面厚度、角度稳定性等多个维度凸显了本设计在综合性能上的优势，进一步强调了其创新性和实用性。论文最后部分致谢和参考文献齐全，体现了严谨的学术规范。