这是一篇关于高吸收双通带频率选择吸波器（FSR）研究的学术报告。该研究由Zheyipei Ma、Chao Jiang、Jiale Li和Xiaozhong Huang完成，他们均来自中南大学粉末冶金研究院（Powder Metallurgy Research Institute of Central South University）。通讯作者为Chao Jiang。该成果于2022年11月24日被接收，并发表在《科学报告》（Scientific Reports）期刊上，论文标题为《一种具有改进吸收和斜入射性能的双传输带吸波器》（A dual-transmission-bands rasorber with improved absorption and oblique incidence performance）。
本研究属于电磁波应用技术领域，特别是频率选择吸波器（Frequency Selective Rasorbers, FSRs）的设计。FSR是一种特殊的空间滤波器，与传统的频率选择表面（Frequency Selective Surface, FSS）仅反射带外信号不同，它能够吸收带外电磁波，从而同时降低单站和双站雷达散射截面（Radar Cross-section, RCS），在雷达隐身、电磁兼容和天线罩等领域具有巨大潜力。然而，已有的FSR设计往往难以同时兼顾高吸收性能、低插入损耗的透射性能以及在斜入射条件下的稳定性。为解决这一难题，本研究旨在提出并验证一种新型的、具有高吸收率和双传输带的FSR设计方法，实现“低透-中吸-高透”（TAT）的工作模式。
为实现上述目标，研究团队将设计流程明确地分解为两个部分，并进行了详尽的仿真、加工与实验验证。
第一部分是作为损耗层的电路模拟吸收器（Circuit-Analog Absorber, CA Absorber）的设计。此项设计的核心创新在于提出了一种基于“吸收增强设计”（Absorption Enforced Design）的单元结构，该结构由加载了集总芯片电阻的同心双金属环组成。通过对Salisbury屏原理和斯涅尔定律的分析，研究发现当电阻层方阻为377 Ω/sq时，透射能量会大于反射能量，这是实现高吸收的关键。仿真结果表明，单个大电阻环在5.78 GHz处产生了45.5%的吸收峰，而单个小电阻环则在9.12 GHz处补偿了33.6%的吸收。通过将两者结合，构成的CA贴片（CA sheet）在5.69至11.04 GHz范围内至少可吸收44%的入射波能量。为进一步提升吸收性能和斜入射稳定性，设计在CA贴片上方依次添加了聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫层和FR4介质层作为上层结构（Superstrate）。通过四分之一波长理论计算各介质层厚度，并使用全波仿真软件CST微波工作室（CST Microwave Studio）进行优化，最终确定的CA吸收器结构实现了显著的宽带吸收性能。仿真结果显示，在垂直入射下，反射系数低于-10 dB的带宽为3.88至11.70 GHz，相对带宽（FBW）达101.2%；反射系数低于-20 dB的带宽为4.76至10.20 GHz。该结构在TE极化下，入射角小于50°时，-10 dB吸收带宽仍然保持在7.82 GHz以上，展现出优异的斜入射稳定性。
第二部分是作为带通层的带阻频率选择表面（Band-Stop Frequency Selective Surface, BS-FSS）的设计。为获得宽反射带和双传输带，同时不破坏高透射性能，研究团队提出了一种在单层FR4基板两面设计不同FSS的改进方法。具体而言，在基板的顶层和底层分别设计了加载不同感值（0.4 nH和0.1 nH）集总电感器的金属方环。这些电感器采用0201封装，并在CST软件中导入了其实际S参数以确保仿真精度。通过叠加两个窄反射带，成功构建了一个宽反射带。仿真表明，该BS-FSS在0至1.42 GHz和15.48至18.68 GHz范围内为透射窗口（|S21| ≥ -1.0 dB），在4.62至11.02 GHz范围内为-1 dB反射带。同时，顶部的FR4层也起到了阻抗匹配层的作用，有效拓宽了高频传输带。
将CA吸收器的金属地替换为上述BS-FSS，即得到完整的高吸收双通带吸波器（HADTR）。全文的仿真结果显示，在垂直入射下，所设计的HADTR实现了从5.02至10.56 GHz的90%吸收带；-10 dB和-20 dB反射带分别覆盖4.48至11.70 GHz和5.48至9.96 GHz。低频通带上限为1.34 GHz，高频通带为16.04至18.70 GHz（|S21| ≥ -1.5 dB）。斜入射性能测试进一步证实了设计的优越性：在TE极化40°入射下，90%吸收带宽仍高达62.2%。 为验证仿真结果，研究团队分别加工了由13×13个单元组成的CA吸收器原型和26×26个单元组成的BS-FSS原型，样件尺寸均为300×300 mm。CA吸收器采用在PI薄膜上印刷电阻FSS图案，并与金属地、PMI泡沫层及FR4层粘合制成。BS-FSS则是在FR4基板（厚度0.3 mm）两面加工不同尺寸的金属方环并焊接指定型号的芯片电感器（LQP03TG0N1B02和LQP03TG0N4B02）。最后，将两者组合成HADTR样件。测量在微波暗室中进行，使用安捷伦N5224A矢量网络分析仪和标准增益喇叭天线，并采用了时域门控技术以减少环境干扰。测量结果与仿真结果高度吻合。例如，在10°斜入射TE极化下，HADTR的实测-10 dB反射带为4.45至12.06 GHz（FBW=92.2%），90%吸收带为5.08至11.03 GHz（FBW=73.9%）；低频通带（插入损耗1.5 dB）上限达1.42 GHz，高频通带从16.71 GHz延伸至18.00 GHz。实测中插入损耗的略微增加被认为是由PMI泡沫和热熔胶膜的损耗所致。
本研究得出的核心结论是，通过一个双步骤设计方法，即先经过吸收率分析设计“吸收增强”型单元以获得CA贴片，避免复杂的等效电路参数提取过程；再通过加载集总电感器的双层金属方环构建宽带反射的BS-FSS，并利用顶层FR4进行阻抗匹配，可以设计出性能卓越的FSR。该工作证明了使用简单几何单元实现FSR高性能的可行性。
研究的最大亮点在于其“吸收增强设计”理念，它巧妙地利用了两个不同尺寸的电阻环在各自频率上吸收能量的特性，以一种结构简洁的方式实现了高吸收与双通带的共存。其次，相比现有文献中的同类TAT吸波器，本设计在90%吸收带宽及其在斜入射条件下的稳定性方面表现突出，是当时文献记录中唯一实现如此超宽带且斜入射性能稳定的设计，具有显著优势。
该研究的科学意义在于提出了一种高效、新颖的FSR设计范式，为未来新一代吸波器的研发提供了新思路。在应用价值上，这种能同时提供两个低损耗透射窗口和一个高吸收带，且在斜入射下性能稳定的器件，在需要多频段操作且对隐身性能有严格要求的先进通信和雷达系统（如多频天线罩）中，具有重要的应用前景。