这是一篇关于宽通带、超宽带吸收的频率选择吸波体（Frequency-Selective Rasorber, FSR）的原创性研究报告。以下是对该研究的详细学术介绍。

作者与发表信息

本研究的主要作者包括Jiao Yin、Bian Wu、Si-Bo Mao、Kai-Li Wei、Ding Zhang、Xiao-Yu Pang和Yu-Tong Zhao。其主要通讯作者为Bian Wu，研究团队隶属于西安电子科技大学雷达探测与感知全国重点实验室，合作作者Xiao-Yu Pang则来自济南航空科学高性能电磁窗重点实验室。这项研究成果于2024年8月8日被接收并在线发表，最终刊登在《IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters》期刊2024年12月出版的第23卷第12期上，文章页码为4223至4227。

研究背景与目的

在现代电子战中，为应对复杂的电磁环境，武器平台对隐身性能的要求日益严苛。频率选择吸波体（Frequency-Selective Rasorber, FSR）作为雷达罩的关键技术，相较于传统的频率选择表面（Frequency-Selective Surface, FSS），通过引入有损结构，能够有效降低单站和双站雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS），因此引起了广泛的研究兴趣。根据通带相较于吸收带的位置，FSR可分为吸收-透射（A-T）、透射-吸收（T-A）和吸收-透射-吸收（A-T-A）三种类型。

当前的研究面临一个核心挑战：如何实现一种双极化、低损耗的A-T-A型FSR，能够同时具备超宽带的吸收性能和宽带的透射性能。以往的方案在展宽透射带时，通常会采用并联更高电感和更低电容的方法，目前报道的最宽透射带宽约为40.53%；而在展宽吸收带方面，则常采用铁氧体材料或多层级联有耗层的方式。然而，将两者完美结合仍是一个难题。本研究正是针对这一挑战，旨在设计并验证一种新型的多层FSR结构，利用石墨烯电阻膜和基于过孔的绕线电感（via-based winding inductors），同时实现了宽通带和超宽带吸收。

详细工作流程与方法

本研究通过理论设计、等效电路建模、仿真优化和实物加工测试等一系列流程，完成了对所提出FSR的验证。

首先，在结构设计阶段，研究人员提出了一种三明治式的多层FSR单元结构。整个单元由顶部的第一有耗层、中部的第二有耗层和底部的三阶带通频率选择表面（Bandpass FSS）构成，总厚度和单元周期都经过了紧凑化设计，单元周期仅为最低工作频率波长的0.057倍（0.057λL），实现了小型化。

顶层有耗层的设计是整个结构实现低频吸收和宽透传的关键。它基于介电常数为3.5的F4BM350介质基板，中心图案是一块方形的石墨烯电阻膜，其方块电阻为200 Ω/□，作为一个全向的平面电阻。石墨烯膜的四个边缘连接着四个基于过孔的绕线电感臂，其末端增加了金属条带以增强间隙电容效应。该层的核心创新在于对这些绕线电感的巧妙利用：在低频段，电流集中在电感臂并流过石墨烯膜，形成一个RLC串联谐振电路，产生吸收效应。当中高频段来临时，绕线电感自身匝间产生的寄生电容与电感发生并联自谐振，此时电路的阻抗远大于自由空间阻抗，使得电磁波能够低损耗地透过，从而在不引入高阶模式的情况下自然形成了一个宽透射窗口。

第二有耗层则主要负责高频段的吸收。它印制在介电常数为2.2、厚度更薄的F4BM220基板上。其图案为中心石墨烯膜（250 Ω/□）和通过四条金属条带连接的圆形螺旋谐振器（Circular Spiral Resonator, CSR），这四个螺旋谐振器被相邻的四个单元所共享。该层的工作原理与顶层类似但功能错位：在中频段，螺旋谐振器自身的分布电感和寄生电容形成并联自谐振，允许信号通过；而在高频段，电流则主要分布在石墨烯膜和垂直的金属条带上，形成另一个RLC串联谐振，将电磁波能量消耗掉。

底层的带通FSS是一个由三层金属构成的滤波器：上下两层为方形贴片，中间层为方形环缝隙，它们分别印制在两块厚度为2.8毫米的相同介质基板上。该FSS层不仅为整个结构提供了宽带的带通响应，还起着有耗层的金属接地板的作用。在低频和高频吸收带，它像金属板一样将电磁波反射，使有耗层能在一个单端口网络状态下有效工作；在中频通带，它则允许电磁波无缝通过。

在设计流程中，研究团队为每一层都独立建立了精确的等效电路模型（Equivalent Circuit Model, ECM），这是分析工作的关键第一步。通过分析各层在不同频率（如低频吸收点的3吉赫兹、中频通带内的10吉赫兹和高频吸收点的16吉赫兹）下的表面电流和电磁场分布，他们提取出了石墨烯膜等效电阻、绕线电感、匝间电容、间隙电容等集总元件的参数。这些分立层的ECM计算出的S参数与全波仿真结果高度吻合，验证了物理机理分析的准确性。最后，将所有分立层的ECM级联起来，构成了整个FSR的完整等效电路模型，其计算结果同样与完整器件的仿真曲线相一致，证明了设计方法的理论正确性。

最终，为了进行实验验证，研究人员利用印刷电路板（Printed Circuit Board, PCB）技术和丝网印刷技术，制作了一个包含20×20个单元、尺寸约为220毫米×220毫米的原型器件。石墨烯墨水的配比经过了精心调配，以满足不同层的方块电阻需求。各层基板通过尼龙螺钉和介电常数为1.1的泡沫材料进行组装。实验测量在一个微波暗室中进行，使用矢量网络分析仪和一对宽带喇叭天线对样品的反射系数和透射系数进行了精确测量。

主要研究结果

通过上述严谨的设计与测试流程，该研究取得了显著的成果。仿真和测量的S参数曲线展现了高度的一致性，证实了设计的优异性能。该FSR在1.56吉赫兹至18吉赫兹的超宽带频率范围内，实现了优于-10分贝的反射系数，其阻抗匹配的相对带宽（Fractional Bandwidth, FBW）达到了惊人的168%，这是目前同类工作中报道的最宽阻抗匹配带宽。

在吸收性能方面，该器件实现了A-T-A的吸收-传输响应。吸收带分为两段：低频吸收带覆盖1.4吉赫兹至5.4吉赫兹，高频吸收带覆盖13.6吉赫兹至18吉赫兹，两个吸收带内的吸收率均大于0.8。这两个吸收带之间的宽通带覆盖了7.15吉赫兹至12.4吉赫兹（实测至12.5吉赫兹），相对带宽为54%。通带内的插入损耗极小，最低处仅为0.56分贝，并且在通带范围内均低于1.5分贝。

此外，在大角度入射稳定性方面，该器件也展现了优异的性能。在30°入射角以内，频率响应几乎保持不变。即使在45°斜入射下，对于TE极化，吸收带反射系数虽有所抬升；对于TM极化，高频吸收略有恶化，但整个吸收带的吸收率基本可以维持在0.8以上，而通带特性则保持稳定，显示出良好的角度鲁棒性。这主要归功于其小型化的单元设计（0.057λL）。

研究结论与价值

本研究成功设计、制造并验证了一种基于石墨烯电阻膜的宽通带、超宽带吸收A-T-A型FSR。从科学价值上看，该工作首次将基于过孔的绕线电感巧妙地引入到FSR设计中，并系统性地解释和利用了其内部的匝间寄生电容，通过并联自谐振效应展宽了透射带并实现了高低频的双吸收效应。这种设计理念为无集总元件的集成化高性能FSR设计提供了全新的思路。同时，所建立的等效电路模型精确地揭示了器件的物理机制，为后续的此类设计提供了有力的理论分析工具。

从应用价值上看，该FSR的性能在多个关键指标上均超越了现有同类工作，特别是其168%的超宽带阻抗匹配和54%的宽带透射性能，使其在现代隐身雷达罩的应用中展现出巨大的潜力。最为突出的是，该设计完全摒弃了传统的焊接集总电阻，转而采用一体化的石墨烯薄膜来实现吸收功能。这一特点不仅带来了低成本、低装配误差、高集成度和高设计自由度等显著优势，更使得其在工程上的大规模生产和应用变得更为便捷和可靠。该器件非常适用于需要超宽带隐身的机载、弹载雷达平台。

研究亮点

本研究的亮点可以总结为以下三点。第一，性能卓越：同时实现了168%的超宽带阻抗匹配和54%的宽带低损耗透射，该综合性能在目前公开报道的同类研究中处于领先水平。第二，方法新颖：创造性地提出并应用了基于过孔的绕线电感结构，利用其内部的电感与寄生电容产生的并联自谐振，巧妙地构建了宽透射窗口，这是对传统FSR设计技术的一次重要革新。第三，物美价廉：采用石墨烯电阻膜替代集总电阻，不仅实现了宽带吸收，还提升了器件的集成度和设计灵活性，降低了成本和制造复杂度，为高性能FSR从实验室走向实际装备铺平了道路。