《IEEE天线与无线传播快报》第24卷第4期（2025年4月）发表了由陈俊波、余伟亮、王文磊、谭清泉、刘磊磊（IEEE会员）和罗国庆（IEEE高级会员）共同撰写的学术论文，题为“基于并联直流偏置网络的极化无关可切换频率选择吸波体”。该研究由杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室（电子信息学院）以及南京邮电大学电子与光学工程学院射频集成国家级地方联合工程实验室的科研人员合作完成。
本研究的核心学术领域是电磁功能材料与结构，具体聚焦于频率选择表面和吸波体技术。近年来，频率选择吸波体因其独特的电磁响应特性而备受关注。传统的无源频率选择吸波体可以在特定频段内实现吸波（低反射）和透波（低插入损耗）的功能组合，用于降低天线带内雷达散射截面，但其透波窗口无法关闭，限制了在动态隐身场景中的应用。为了克服这一局限，研究者们开始探索有源频率选择吸波体，通过集成PIN二极管等有源器件，实现对透波窗口的主动控制，从而在天线不工作时将整个结构切换为宽带吸波体，实现彻底的带内隐身。
尽管有源频率选择吸波体的研究已取得进展，但其直流偏置网络的设计仍面临重大挑战。现有的偏置网络主要有串联和并联两种形式。串联偏置网络虽对性能影响较小，但其偏置电压会随单元数量增加而急剧升高，不适合低电压应用；更重要的是，一旦串联路径上的某个二极管损坏，可能导致整条路径失效。相比之下，并联偏置网络中每个二极管的偏置电压低且相互独立，单个器件的故障对整体网络影响较小，工程应用优势明显。然而，此前报道的基于并联偏置网络的设计要么存在极化敏感的问题，要么为了抵消偏置网络的电磁效应而引入了金属通孔和集总电感，增加了单元结构的复杂性。虽有研究利用串联偏置网络实现了极化无关的可切换性能，但尚无研究报道如何利用并联偏置网络实现极化无关的可切换频率选择吸波体。
本研究的目标正是要填补这一空白，首次提出并验证一种基于并联直流偏置网络的极化无关可切换频率选择吸波体。该设计旨在实现以下关键性能：1) 具备超宽带的隐身（高吸收/低反射）频带；2) 拥有一个可被主动“打开”或“关闭”的传输频带；3) 上述所有功能对横电模和横磁模两种极化波均能独立、可控地实现，即极化无关的可切换特性。为了实现这些目标，研究团队设计了一个三层复合结构。
研究的详细工作流程如下：
首先，进行结构设计与原理分析。研究提出的可切换频率选择吸波体由三层构成，从顶层到底层依次为：非可切换损耗层、极化无关可切换损耗层以及极化无关可切换频率选择表面层。三层之间通过两个空气层隔开。整个设计围绕并联直流偏置网络展开。
针对极化无关可切换频率选择表面层的分析是核心第一步。该层由印制在薄介质基板两面的两组相互旋转90度的H形贴片构成，每个贴片中心焊接一个PIN二极管。对于其中一种极化的入射波，顶层和底层的H形贴片分别起到不同的作用。通过分析二极管在“开”（导通）和“关”（截止）两种状态下的电场分布，研究者建立了等效电路模型。当二极管“关”时，顶层和底层的贴片等效电路共同构成一个并联谐振电路，在6.3 GHz附近形成一个通带响应（低插入损耗），两侧则是反射带。当二极管“开”时，由于二极管本身寄生电阻的损耗作用，在2.63 GHz附近形成一个吸收率较低的吸收带。关键之处在于，顶层和底层的H形贴片分别由独立的并联偏置线控制，从而能够独立地控制TE和TM极化的频率响应，实现了极化无关的可切换基础。
第二步，研究者在此基础上引入了可切换损耗层，构成“设计I”（可切换损耗层+可切换频率选择表面）。可切换损耗层的结构也精心设计了并联偏置网络，其顶层印刷有损耗层，该层集成了由PIN二极管和隔直电容组成的并联谐振器组。特别的，每个二极管由两条直流偏置线共同控制，且相邻二极管共享一条偏置线，确保了电流方向的一致性，从而同样实现了极化无关的控制能力。通过控制损耗层和频率选择表面层中二极管的开关状态组合，该结构可以实现四种工作模式。仿真结果表明，当相关二极管“关”时，设计I在6.3 GHz处获得一个传输通带，并在其两侧（4.15-5.14 GHz 和 5.99-9.11 GHz）形成吸收带。当二极管“开”时，传输窗口关闭，频率选择表面层变为反射面，与损耗层共同作用，在4.04-8.8 GHz范围内形成一个相对较宽的吸收带，分数带宽达到74%。
第三步，为了进一步拓宽吸收带宽，研究者在“设计I”的上方增加了一层固定的、非可切换的损耗层，形成了最终的完整频率选择吸波体结构。这一非可切换损耗层本身是一个宽带吸波结构，通过合理的等效电路模型与下层结构进行匹配。等效电路模型分析表明，加入该层后能显著扩展整体结构的低频和高频吸收性能。
在仿真设计阶段，研究使用了全波电磁仿真软件进行结构优化与性能验证。关键创新在于所提出的独特三层架构以及为每一层精心设计的并联直流偏置网络方案，特别是为实现极化无关控制而采用的交叉排布和独立控制逻辑。数据分析和性能评估主要基于散射参数，特别是反射系数和传输系数随频率变化的曲线。
研究得到的主要结果如下：
仿真结果清晰地验证了设计原理。对于最终的完整结构，当所有二极管处于“关”状态（至少一组控制TE和TM的二极管关闭）时，结构作为频率选择吸波体工作：在6.3 GHz处产生一个插入损耗仅为0.9 dB的传输窗口，同时在1.9 GHz至10.6 GHz的极宽频带内实现隐身，反射系数低于-10 dB，分数带宽高达139.2%。这意味着在该宽频带内，除了窄带的传输窗口外，其余频率的入射电磁波均被有效吸收。当所有二极管处于“开”状态时，结构切换为宽带吸波体：传输窗口消失，在1.89 GHz至10.56 GHz的频带内实现全吸收，反射和传输系数均低于-10 dB，分数带宽为139.3%。这些仿真数据为后续实验验证提供了坚实的理论基础。
为了验证设计的实际性能，研究者制作并测试了一个实物样机。样机由15×15个单元组成，使用了超过3600个集总电阻、2700个PIN二极管和900个隔直电容。测试在微波暗室中进行。通过为不同偏置线施加特定的电压组合，样机成功实现了四种工作模式。测试结果与仿真结果吻合良好。在作为频率选择吸波体工作的模式下，测得传输通带的插入损耗为1.16 dB (TE极化) 和 1.12 dB (TM极化)，隐身频带覆盖2.054 GHz至10.6 GHz，分数带宽为136%。在作为宽带吸波体的模式下，对TE和TM极化分别实现了133.3%和138.5%分数带宽的宽频吸收。此外，实验结果还表明，该结构在高达30度的斜入射角下仍能保持稳定的性能。这些实测数据有力地证实了该极化无关可切换频率选择吸波体设计的有效性和实用性。
基于以上结果，本研究得出了明确的结论：首次成功设计、制作并验证了一种基于并联直流偏置网络的极化无关可切换宽带频率选择吸波体。该结构通过等效电路模型阐明了其工作原理。实验证明，它具备超宽的隐身频带，并能通过控制PIN二极管的状态来“打开”或“关闭”其传输通带。更重要的是，其对TE和TM极化波均能实现稳定的独立控制，且具有良好的角度稳定性。
本研究的科学价值在于，为解决有源频率选择吸波体中并联偏置网络难以实现极化无关控制这一难题提供了创新性的解决方案。其三层架构与独立的偏置控制逻辑具有高度的新颖性。应用价值方面，该设计在宽带隐身天线系统中具有巨大潜力，例如可为双极化天线提供动态的带内隐身能力：当天线工作时，打开传输窗口保证信号正常收发；当天线静默时，关闭窗口实现全频段吸收，极大提升了平台的电磁隐身性能和生存能力。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1) 首次实现：这是首次报道基于并联直流偏置网络实现极化无关可切换特性的频率选择吸波体。2) 卓越性能：实现了超过139%分数带宽的超宽隐身或吸收频带，且通带插入损耗低。3) 创新结构：采用“非可切换损耗层 + 可切换损耗层 + 可切换频率选择表面”的三层复合架构，并设计了精巧的、能够独立控制TE/TM极化的并联偏置网络。4) 多功能与强鲁棒性：支持四种工作模式，具备极化无关和角度稳定的特性，且并联偏置网络具有工程应用所需的低电压和故障隔离优势。5) 理论与实验结合紧密：通过等效电路模型深入阐释了工作机理，并通过完整的样机加工与测试验证了设计。这些特点使得该工作在当前频率选择吸波体研究领域中具有显著的先进性和实用性。