这是一篇原创研究论文，以下是对该研究的学术报告。
主要作者及发表信息
该研究由西安科技大学通信与信息工程学院的高鑫杰（Xinjie Gao）、黄晓俊（Xiaojun Huang，通讯作者）、张雅茹（Yaru Zhang）和侯伟（Wei Hou）共同完成，并得到了陕西省智慧煤矿先进通信技术高校工程研究中心的支持。这项研究成果于2026年发表在学术期刊《Optics & Laser Technology》上。
研究背景与目的
这项研究属于电磁兼容与防护领域，聚焦于解决日益严重的高功率微波（High-Power Microwave, HPM）武器和复杂电磁环境对电子系统的威胁。传统的电磁屏蔽技术存在一个核心矛盾：它们无法区分信号功率大小，对所有电磁波进行无差别阻断，这虽然能防护高功率攻击，却也阻碍了正常的低功率通信信号。为解决此问题，能量选择表面（Energy Selective Surface, ESS）应运而生。ESS通过集成PIN二极管等非线性器件，能够自适应地在低功率信号下保持透波，在高功率微波攻击下转为电磁屏蔽。
然而，现有ESS技术面临诸多瓶颈。首先，在低功率下，ESS在工作频带外会产生强反射，这增加了被雷达探测的风险；其次，在高功率下，其屏蔽效能（Shielding Effectiveness, SE）常随频率升高而下降，且功能受限，难以实现全频段保护。为了克服这些缺点，能量选择吸波体（Energy Selective Rasorber, ESR）的概念被提出，其核心思想是将吸波结构与ESS结合，实现“透波-吸波”或“反射-吸波”的动态切换。但传统ESR设计仍存在结构复杂、工作频段屏蔽效能受限等问题，尤其是传统的二维结构ESR功能单一，无法在吸收-透波-吸收（A-T-A）模式和宽带吸收（A）模式之间进行动态切换。
该研究的核心目的，正是为了突破上述二维结构ESR的技术瓶颈，提出并验证一种新型的、能够在A-T-A与A双模式间进行功率自适应切换的宽带能量选择吸波体。
详细研究工作流程
该研究的工作流程主要分为四个阶段：结构设计与等效电路模型（Equivalent Circuit Model, ECM）分析、全波仿真模拟、场路联合仿真模拟和实验验证。
第一阶段：结构设计与等效电路模型分析。 研究团队设计了一种由两层F4B介质板（相对介电常数εr = 2.65，损耗角正切tan θ = 0.001）和一层空气层组成的新型ESR单元结构。上层是功率控制损耗（Power Control Lossy, PCL）层，其图案包含一个加载了PIN二极管（型号SMP1340-040LF）的方形缝隙贴片和四个加载了电阻的T型金属贴片。下层是能量选择表面（ESS）层，由加载了PIN二极管的开槽金属贴片构成。该结构的核心创新在于引入了动态切换机制：当低功率信号入射时，PIN二极管处于截止状态（等效为0.33 pF的电容），结构工作在A-T-A模式，即实现带内低插损传输、带外高效吸收；当入射功率超过阈值时，二极管导通（等效为1.5 Ω的小电阻），ESS层变为全反射器，整个结构转为宽带吸收（A）模式，实现全频段高屏蔽。
为了阐明工作原理，研究者提取并分析了PCL层和ESS层的等效电路模型。他们将PCL层中的T型贴片和方形缝隙贴片分别建模为串联/并联RLC谐振电路，并将金属背板或ESS层视为终端负载，利用ABCD矩阵推导出反射系数和传输系数。通过电路仿真软件ADS和全波仿真软件CST的协同计算，验证了PCL层在低功率下的宽带吸收与带内透波特性，以及在高功率下的宽带吸收特性。同样，他们也建立了ESS层的LC谐振电路模型，计算并验证了其低功率下的带通和高功率下的宽带反射特性。ECM分析从理论上揭示了结构的能量选择控制特性。
第二阶段：全波仿真模拟。 在CST微波工作室中，研究者对设计的整体ESR结构进行了全波仿真，以验证双模式切换性能。当PIN二极管设为截止状态时，仿真结果显示在5.89–6.12 GHz频带内出现了传输窗口，传输系数超过-1 dB，最低插入损耗（Insertion Loss, IL）在5.98 GHz处仅为0.36 dB；同时，在传输窗口两侧的频带实现了宽带吸收。电场分布图证实，在4.0 GHz时电场集中在电阻上（吸收），6.0 GHz时集中在二极管上（透波调控），8.0 GHz时则分布在两者之上。当PIN二极管设为导通状态时，仿真结果显示传输窗口关闭，在3.31–10.25 GHz频带内反射系数低于-10 dB，吸收率超过80%，屏蔽效能超过25 dB，实现了宽带电磁屏蔽。此外，仿真还研究了结构的角度稳定性，结果表明在TE和TM双极化、高达40°斜入射条件下，无论是IL/SE还是吸收率，性能均保持稳定，展现了出色的角度稳定性和极化不敏感性。
第三阶段：场路联合仿真模拟。 为研究结构在不同入射功率水平下的非线性响应特性，研究者采用了一种创新的场路协同仿真方法。他们首先在CST中将PIN二极管的集总参数模型替换为离散端口，提取整个ESR单元的S参数模型；然后将此模型导入ADS中，并与PIN二极管的完整非线性SPICE模型相连，构建出完整的非线性电路模型。利用ADS的谐波平衡法，以输入端口功率为扫描变量（从-10 dBm到40 dBm），自动计算在不同功率下非线性二极管的工作状态及整个结构的S参数。仿真结果清晰地揭示了结构的功率自适应特性：在传输窗口内的频率点（5.8、5.9、6.0 GHz），当入射功率低于0 dBm时，插入损耗小于1 dB；当功率增至15 dBm时，屏蔽效能达到10 dB；当功率到达40 dBm时，屏蔽效能达到最大值30 dB。而在吸收带内的频率点（4.0和8.0 GHz），由于PCL层的吸收特性，屏蔽效能始终保持在22.5 dB以上，且与入射功率水平无关。
第四阶段：实验验证。 研究者制作了一个10×10的阵列原型，并通过自由空间法和矩形波导法，在低功率和高功率入射信号下分别进行了测试。在低功率自由空间测试中，测量结果与仿真结果在0°和40°入射角下均表现出良好的一致性，验证了结构的低插损传输和宽带吸收特性：在5.98 GHz处实测插入损耗为0.38 dB，在5.9–6.1 GHz内IL小于1 dB。在高功率测试中，为了在波导内构建高强度电场，研究者根据测试频段制作了三种不同尺寸的波导测试原型（对应WR284、WR187、WR137波导）。测试流程是：信号发生器产生信号，经功率放大器放大后馈入矩形波导，通过衰减器后由功率计接收，并预先测量系统损耗以进行校准。结果显示，在带外吸收频率点（4.0 GHz、8.0 GHz），实测屏蔽效能与仿真高度吻合；在通带内（5.8–6.0 GHz），实测屏蔽效能随入射功率增大而提升，验证了其功率自适应保护能力，但在高功率区域与仿真存在偏差，这主要归因于PIN二极管的SPICE模型与实际器件特性之间的差异。尽管使用了不同的测试波导，数据系统误差在可接受范围内，两种核心功能（通带内功率自适应和带外宽带吸收）均得到了验证。
主要结果、结论与研究价值
本研究成功设计并验证了一种新型的A-T-A/A型能量选择吸波体。在低功率下，该结构在5.89–6.12 GHz频段内实现低损耗传输（实测最低IL为0.38 dB），并在3.14–5.38 GHz和6.64–10.06 GHz频带实现超过80%的吸收率。在高功率下，它能在3.31–10.25 GHz的宽频带内实现超过80%的吸收率，并在整个频段内提供超过25 dB的屏蔽效能。该结构还在40°斜入射、TE/TM双极化下表现出优异的稳定性。
这项研究的科学价值在于，它首次在二维结构框架内实现了从“吸收-透波-吸收”模式到“宽带吸收”模式的功率自适应切换，克服了传统二维ESR的功能限制，并通过创新的等效电路模型与场路协同仿真方法，深入揭示了其非线性能量选择机理。其应用价值显著，为高功率微波防护、智能电磁隔离等复杂场景提供了一种突破性的解决方案，能够同时保障正常通信信号的畅通和强电磁攻击下的设备安全。
研究亮点