本文介绍了一种具有快速滚降（fast roll-off）和宽吸收/传输带的频率选择吸波器（Frequency Selective Rasorber, FSR）的设计。该研究由西安电子科技大学电子工程学院天线与微波技术国家重点实验室的贾雨欣、马畅、翟会清，以及广东省通信与网络研究所的刘长远共同完成。通讯作者为刘长远（邮箱：lcy887354@126.com）。该研究得到了广东省重点领域研发计划（资助号：2018B010124001）的资助，并于2021年发表在《International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering》期刊上（DOI: 10.1002/mmce.22785）。
一、研究背景与目标
该研究属于电磁场与微波技术领域，具体聚焦于频率选择表面（Frequency Selective Surface, FSS）及其在隐身技术中的应用。传统的FSS天线罩能够在带内以低插入损耗传输电磁波（Electromagnetic, EM），并将带外信号向来波方向反射，以降低单站雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS）。然而，反射的电磁波可能被双站或多站雷达系统接收，这对军事飞行器的隐身性能有害。为了解决这一问题，频率选择吸波器（FSR）应运而生。FSR是一种能够吸收不需要的电磁波，同时允许带内信号有效传输的新型结构。早期的FSR设计中，传输带通常设置在吸收带的下方，但会产生一个较宽的过渡带，从而恶化隐身性能。为了衡量从传输带到吸收带的转换效率，研究者定义了参数r_fat，即吸收带起始频率（f_a，满足|S11|<-10 dB且|S21|<-10 dB）与传输带截止频率（f_t，满足|S21|>-3 dB）的比值。理想FSR的r_fat最小值为1，值越小代表滚降特性越快。现有文献中报道的FSR往往难以在保持宽传输带和快速滚降的同时实现宽吸收带。因此，本研究的目标是设计并分析一种具有快速滚降、宽吸收和传输带的FSR结构。
二、FSR结构与等效电路模型分析
为实现上述目标，研究团队提出了一种新型FSR结构，并通过等效电路模型（Equivalent Circuit Model, ECM）阐明了其工作机制。
2.1 FSR结构描述
所设计的FSR由顶部的损耗层（Lossy Layer）和底部的带通频率选择表面（Band-pass FSS）构成。在损耗层中，四个串联的RLC结构连接至外部的方形环（Square Loop, SL）。在方形环内部，另外四个串联的LC结构通过中间的电阻连接。为了支持双极化并避免集总电阻的交叉，一个电阻被焊接在介质基板的底面，通过两个金属化过孔与串联LC结构相连。该损耗层印制在F4B基板（相对介电常数ε_r=2.65，损耗角正切0.002）上。 带通FSS是一个三层结构。其顶层和底层的贴片层蚀刻有曲折线槽和圆形孔，圆形孔的半径分别为r1和r2。曲折线槽用于增加电长度，以实现单元的小型化。中间的线条层采用条带型曲折线，可产生大电感，与上下贴片层产生的大电容共同构成并联LC（Parallel LC, PLC）谐振器。然而，曲折线会导致寄生电容，在高频处产生杂散传输点。为抑制这一现象，在金属贴片层上创造了圆形孔，将贴片变为方形环，并在孔周围产生电感，实现串联LC结构，从而抑制杂散传输带。FSS各层印制在FR4基板上，不同层之间为空气间隔层。
2.2 等效电路模型分析
为了阐明FSR的工作机制，研究者构建了等效电路模型。在损耗层等效电路中，C_a模拟单元间平行条带形式的耦合电容；外部的电阻和曲折线条带等效为R_1和电感L_a；方形环与垂直于电场的条带之间产生电容C_b；内部的电阻和曲折线等效为R_2和电感L_b；L_c代表平行于电场方向的方形环的电感。在FSS的等效电路中，顶层与底层贴片间的间隙决定了电容C_f1；L_f1和L_f4代表贴片层在圆形孔周围产生的电感；中间层的L_f2和C_f2代表曲折线的PLC结构，L_f3代表条带的电感。空气间隔和介质基板等效为传输线。基于此，研究团队推导了损耗层的复阻抗Z_r和带通FSS的ABCD矩阵，并结合空气间隔的传输矩阵，计算出整个FSR二端口网络的ABCD矩阵。最后，将ABCD矩阵转换为S矩阵，从而得到传输系数（τ = |S21|）和反射系数（γ = |S11|），并由公式“Absorptivity = 1 - |S11|² - |S21|²”计算出吸收率。
三、仿真性能与实验结果验证
3.1 仿真性能
研究使用Ansys HFSS软件进行电磁仿真，并使用ADS软件对等效电路模型进行频率响应评估。带通FSS的仿真结果显示，其在1.7至3.1 GHz的S波段提供了宽反射特性，电磁仿真与电路仿真结果吻合良好。以金属板为地板的损耗层，其吸收性能仿真显示，可提供从5.2至17.2 GHz的吸收带。在TE极化波垂直照射下，整个FSR的S参数电路仿真与电磁仿真结果基本一致，细微差异归因于电路模型忽略了介质基板的损耗特性。仿真结果表明，该FSR对TE和TM极化波均具有极化稳定性。其-10 dB吸收带为5.7至17 GHz，相对吸收带宽达100%；-3 dB传输带为1.7至3.1 GHz，相对传输带宽为58%。吸收率高于90%的带宽与吸收带一致。根据定义，该FSR的r_fat计算为5.7 GHz / 3.1 GHz = 1.8，展现了快速的滚降特性。在角度稳定性验证中，当入射角从0°增加到30°时，对于TE和TM极化，该FSR仍保持可靠的传输性能。吸收特性随角度增大逐渐下降，但|S11|和|S21|仍保持在-10 dB以下。对于TE波，30°入射时吸收带宽甚至更宽；对于TM波，30°入射时吸收带起始频率向高频略有偏移。
3.2 实验验证
为验证仿真结果，研究者采用印制电路板技术加工了一个FSR原型。损耗层和带通FSS层分别由16×16和24×24个单元组成，整体尺寸为81.3 mm × 81.3 mm × 14.15 mm。多层结构由螺栓、支柱以及泡沫板支撑。测量在微波暗室中进行，使用一对连接至矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer, VNA）的喇叭天线。传输系数通过“有/无FSR”两组测试数据校准计算得出；吸收特性通过将原型替换为相同尺寸的金属板进行校准测量。为减少测量误差，测量中使用了VNA的时域门功能，并在原型周围放置吸波材料。测量结果表明，在垂直入射和30°斜入射条件下，测得的S参数与仿真结果均能合理吻合。两者间的细微差异主要归因于制造精度和测量误差。
四、结论与价值
本文成功设计并验证了一款具有快速滚降（r_fat=1.8）和宽吸收/传输带的频率选择吸波器。其传输带为1.7–3.1 GHz（相对带宽58%），吸收带为5.7–17 GHz（吸收率>90%）。该结构通过在顶部的损耗层中引入串联RLC结构来实现良好的吸收性能，并利用底部的三层带通FSS在S波段产生传输窗口并在高频提供宽反射带。等效电路模型的建立与分析正确描述了FSR的工作机制。该FSR在实现宽吸收带和宽传输带的同时，具有比大多数同类文献更快的滚降特性（如文献17的r_fat为1.9），且其制造工艺成熟、成本可控，避免了使用石墨烯基平面电阻等高成本方案（如文献18）。本设计在隐身技术领域，尤其是需要降低双站和多站RCS的军事飞行器天线罩应用中，具有重要的应用潜力和科学价值。