本文介绍了一项由山西大学物理与电子工程学院的科研团队完成的原创性研究。该研究由Wenjian Gong（龚文健）、Wenmei Zhang（张文梅，通信作者）、Xinwei Chen（陈新伟）、Guorui Han（韩国瑞）、Liping Han（韩丽萍）、Jinrong Su（宿金荣）和Rongcao Yang（杨荣草）共同完成，发表于IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques期刊2023年3月刊（第71卷第3期，页码1348-1355）。该研究得到了国家自然科学基金（62071282）、山西省高等学校优秀成果培育项目（2019kj001）及山西“1331工程”重点学科建设（1331ksc）的资助。
在现代通信系统中，高功率微波（High-Power Microwaves, HPM）对电子设备构成了严重威胁。传统的电磁屏蔽方法主要采用金属板进行隔离，然而这种方法在阻挡高功率微波的同时，也会阻断正常的通信信号。为解决这一矛盾，频率选择表面（Frequency Selective Surface, FSS）和能量选择表面（Energy Selective Surface, ESS）技术应运而生。
FSS具有优良的频率选择特性，可作为空间滤波器使用，但其工作模式通常由外部偏置电路控制，无法自主响应入射波功率变化。ESS则在通带内具备能量选择特性，能够根据入射波电场强度自适应激活。然而，现有的ESS设计在通带外具有较高的反射系数，容易被探测和攻击，因此电磁隐身（EM stealth）功能成为ESS研究的关键需求。
此前，Yuan等人和Zhou等人尝试在ESS中引入损耗层或吸收材料以实现电磁隐身，但这些设计的吸收带宽较窄，无法应对超宽带（Ultra-Wideband, UWB）探测，且剖面高度较高。针对上述问题，本研究旨在设计一种具有超宽带吸收特性的低剖面ESS，能够根据入射功率水平自适应切换传输/屏蔽模式，同时实现高功率电磁防护和宽频带隐身功能。
所提出的ESS单元由可切换层（switchable layer）和吸收层（absorptive layer）两部分组成，两者分别印制在FR-4介质基板（相对介电常数εr = 4.3，损耗角正切tanδ = 0.025）上，并由一定厚度的空气层隔开，整体剖面高度仅为0.08λ₀（λ₀为工作频率处的自由空间波长），实现了低剖面设计。
可切换层通过在介质基板两侧印制金属贴片构成。正面印制了嵌套的方形环、圆形环和变形耶路撒冷十字贴片（deformed Jerusalem-cross patch），并布置了四个PIN二极管（型号为SMP1345-079LF）。背面的十字贴片通过四个过孔（vias）与正面贴片相连。
PIN二极管无需外部偏置电路即可工作：在低功率信号入射时，二极管处于截止状态，等效为一个小电容（Coff = 0.15 pF），可切换层表现为带通FSS，通带内信号以低损耗传输；当高功率微波入射且平均功率超过阈值时，二极管导通，等效为一个小电阻（Ron = 1.5 Ω）与电感（Lon = 0.7 nH）串联，工作频带内的所有高功率微波被拒止。
研究团队建立了可切换层的等效电路模型（Equivalent Circuit Model），正面长臂和过孔分别等效为电感L11和电容C12，短臂和PIN二极管等效为并联的C11和Zd，方形环等效为并联电感L12；背面十字贴片长臂等效为电感L21，相邻单元间间隙等效为电容C21，基板等效为具有一定电长度的传输线。利用高级设计系统（Advanced Design System, ADS）计算得出各参数值，并验证了电路模型的有效性。仿真结果表明，当二极管截止时，可切换层在4.2 GHz处谐振；当二极管导通时，L21-C21串联支路在约10 GHz处形成传输零点（transmission zero），拓宽了反射带宽。
吸收层基于Salisbury屏（Salisbury screen）方法设计，在基板两侧印制圆形环贴片，并在环的间隙处分别引入R1（400 Ω）和R2（50 Ω）电阻以吸收电磁波能量。将两层金属图案分别布置在基板上下表面有助于散热。
研究团队同样建立了吸收层的等效电路模型，将正面和背面的圆形环贴片等效为两个RLC串联电路，电感值和电容值可通过环的半径和宽度近似计算。当吸收层下方4 mm处放置金属板时，两个串联电路分别在6.5 GHz和12 GHz处谐振，形成两个吸收峰，从而展宽吸收带宽（Absorption Band, AB）。
将吸收器下方的金属板替换为可切换层，即完成了ESS的整体设计。为进一步改善屏蔽和吸收效果，设计了背面十字（Back-side Cross, BC）贴片并通过过孔与正面贴片连接。仿真结果显示，加载BC贴片和过孔后，在低功率信号入射时，8.2 GHz处出现传输零点，11.7 GHz附近的S21被抑制至-10 dB以下，吸收带宽显著扩展；在高功率微波入射时，全频段传输系数降低，0至12.8 GHz范围内S21均小于-10 dB，对应的相对带宽达200%。
此外，研究还考察了ESS对不同入射角度θ（极化角度φ = 0°）和不同极化角度φ（入射角度θ = 0°）的响应。结果表明，对于TE和TM极化波，在θ ≤ 40°范围内，ESS性能保持稳定；由于结构中心对称，ESS还具有极化不敏感特性。
研究团队制作了包含9×9个单元的原型样机（尺寸为135 × 135 mm），并使用尼龙螺钉固定吸收层和可切换层。低功率测量采用两个喇叭天线连接矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer, VNA）的方案进行。测量结果表明，在θ = 0°时，ESS可传输约3.8 GHz处的信号，插入损耗（Insertion Loss, IL）为0.6 dB，吸收带范围为5.97-13.97 GHz（相对带宽80%）；当入射角增至40°时，通带保持稳定，吸收带移至5.68-13.67 GHz，吸收率在5.97-13.97 GHz范围内大于87%。
高功率测量采用2×1单元原型放置于矩形波导中，由射频信号发生器和功率放大器产生所需高功率微波信号。在3.8 GHz处，当输入功率达22 dBm时，S21开始下降、S11上升；输入功率达45 dBm时，屏蔽效能（Shielding Effectiveness, SE）增至15 dB。在40 dBm输入功率下的频率扫描测试显示，3.2-4.5 GHz范围内SE约保持在11 dB，5.7 GHz后S11和S21均小于-10 dB，表明良好的吸收性能。
本研究成功提出并验证了一种新型低剖面超宽带吸收ESS。该设计利用PIN二极管实现自适应屏蔽，利用电阻器实现电磁波吸收，并通过在可切换层引入背面十字贴片和过孔显著展宽了屏蔽和吸收带宽。在传输模式下，吸收带为5.97-13.97 GHz（相对带宽80%），中心频率3.8 GHz处插入损耗0.6 dB；在屏蔽模式下，屏蔽范围为0-12.82 GHz，吸收带为5.74-12.82 GHz（相对带宽76%）。与已有文献相比，该ESS具有更宽的吸收和屏蔽带宽、更低的剖面高度以及更好的入射角稳定性。
该研究在电磁防护、电磁兼容、电磁干扰以及隐身技术领域具有广泛的应用前景，能够同时实现对高功率电磁辐射的有效防护和对超宽带探测信号的隐身。
本研究的主要亮点包括：第一，创新性地将可切换层与吸收层结合为双层低剖面结构，剖面高度仅0.08λ₀；第二，通过加载背面十字贴片和过孔，成功引入额外传输零点，显著扩展了屏蔽和吸收带宽；第三，分别建立了可切换层和吸收层的等效电路模型，为设计与分析提供了理论依据；第四，所设计的ESS具有极化不敏感和良好的角度稳定性，在入射角≤40°时性能基本保持不变。