面向下一代隐身-通信一体化系统的超宽带双频频率选择吸收体（FSR）设计研究报告

一、 主要作者、机构及发表信息

本研究由来自中国多所知名高校的研究团队共同完成。主要作者包括 Zi-Hao Cao（曹梓浩）、Peng-Fei Gu（顾鹏飞，通讯作者）、Hua-Guang Bao（鲍华光）、Chao-Fu Wang（王超福）、Meng-Meng Li（李萌萌）、Zhen-Hong Fan（范振宏）和 Da-Zhi Ding（丁大志），他们均隶属于南京理工大学微电子学院。此外，研究团队还包括来自中山大学电子与信息工程学院（微电子学院）的 Nan Yang（杨楠），以及同时任职于中山大学和香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室的 Kwok Wa Leung（梁国华）。

该研究成果以论文形式发表于国际知名期刊 IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，具体为2026年2月出版的第25卷第2期。论文标题为“Design of an Ultrawideband Multilayer Frequency Selective Rasorber for Enhanced Gain and RCS Reduction”。

二、 学术研究背景

本研究属于电磁场与微波技术领域，具体聚焦于人工电磁表面结构的设计与应用，涉及频率选择表面（Frequency Selective Surface, FSS）、频率选择吸收体（Frequency Selective Rasorber, FSR）以及天线雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS）减缩等关键技术。

研究的核心动因源于现代隐身与通信系统一体化的迫切需求。在传统雷达天线罩设计中，广泛采用频率选择表面（FSS）作为空间滤波器，其能够在天线的特定工作频带（通带）内高效透射电磁波，同时在通带外强烈反射电磁波，以实现带外电磁屏蔽。然而，随着多基地雷达系统的出现，从天线罩斜面反射的回波可能被位于不同位置的雷达接收机截获，从而暴露目标，严重削弱了平台的隐身性能。

为应对这一挑战，兼具滤波与吸收功能的频率选择吸收体（FSR）应运而生。理想的FSR应在天线工作频段内具有极低的插入损耗（高透射率），以保证天线辐射效率；同时在天线非工作频段（通常为上下两个频带）内能强烈吸收入射电磁波，以降低带外RCS，增强隐身能力。然而，现有的FSR设计普遍面临一些技术瓶颈：例如，传输损耗较高（通常大于0.6 dB）、吸收带宽较窄（相对带宽小于65%）、多为单极化工作而对双极化及斜入射角度稳定性差，或者结构复杂、层数多、集成难度大等。

因此，本研究旨在设计并实现一种高性能的双频带FSR。其具体目标包括：1) 实现两个宽带的强吸收频带；2) 在两个吸收带之间提供一个低损耗、宽带的透射窗口；3) 结构具备极化不敏感性和良好的斜入射稳定性；4) 能够与天线有效集成，在提升天线增益的同时，显著降低其整体RCS，从而为下一代隐身-通信一体化系统提供一种紧凑、高效且易于制造的解决方案。

三、 详细研究流程与方法

本研究遵循“理论设计-仿真验证-加工测试-系统集成-性能评估”的系统性流程，具体步骤如下：

流程一：FSR的等效电路建模与单元设计 本研究首先从理论分析入手，采用等效电路模型（Equivalent Circuit Modeling, ECM）来指导FSR的设计。研究团队提出了一种多层互补带通频率选择表面（Bandpass FSS）结构，并将其与一个具有带通特性的高阻抗表面相结合，形成一个紧凑的复合结构。该结构通过引入并联LC谐振回路到基本的串联RLC谐振电路中，从而在并联谐振频率处产生一个透射通带。物理实现上，吸收层采用加载集总电阻的方形环FSS单元，并通过蜿蜒金属条实现并联LC谐振。为了实现极化不敏感性，单元采用了周期性方形贴片和互补金属栅格的互补结构。通过将贴片层和栅格层压在介质基板两侧，利用巴比涅（Babinet）原理结合低通和高通特性，获得了平坦的传输频带。整个FSR单元由两个Rogers 5880介质基板（介电常数εr=2.2）和三个金属层构成。设计过程在电磁仿真软件（如HFSS或CST）中进行，通过优化单元几何参数（论文中给出了全部尺寸，如周期p=15 mm，各部分长度、宽度、间隙等）和电阻值（使用8个180 Ω的集总电阻），以实现目标频响特性。

流程二：FSR性能的仿真分析与验证 在完成单元设计后，研究团队对FSR的电磁性能进行了全面的全波电磁仿真。仿真内容主要包括：在法向入射条件下，FSR的反射系数（S11）和传输系数（S21）；基于反射和传输数据计算的吸收率（A = 1 - |S11|^2 - |S21|^2）。仿真结果显示，该FSR在2 GHz至4.5 GHz以及13.5 GHz至15 GHz两个频带内实现了超过90%的吸收率；同时在7 GHz至12.7 GHz范围内形成了一个3 dB传输窗口，其中最小插入损耗低至0.25 dB（仿真值）。此外，研究还仿真了在TE和TM两种极化波、以及不同斜入射角度（如30°、45°）条件下的性能，验证了其优异的极化稳定性和角度稳定性。团队还通过分析不同频率点（2.6 GHz吸收峰、10 GHz透射带中心、14 GHz吸收峰）的表面电流分布，从物理上解释了吸收和透射的工作机理：在吸收频点，电流主要集中在与入射电场方向一致的蜿蜒金属条上，能量通过电阻耗散；在透射频点，结构表现为匹配状态，能量得以通过。

流程三：宽带介质谐振器天线（DRA）与法布里-珀罗（F-P）谐振腔天线设计 为了验证所设计FSR在提升天线系统性能方面的实际效果，研究团队专门设计了一个工作在X波段（8-12 GHz）的宽带介质谐振器天线（Dielectric Resonator Antenna, DRA）。该DRA采用双层介质谐振器结构（材料分别为Rogers-6010和Rogers-5880），通过缝隙耦合的方式由微带线馈电。随后，将此前设计的FSR作为部分反射表面（Partially Reflective Surface, PRS），置于DRA上方约半个工作波长（λ0/2 ≈ 15 mm）处，构成一个法布里-珀罗（Fabry–Perot, F-P）谐振腔。其工作原理是：DRA辐射的能量在FSR和地板（或DRA本身）形成的谐振腔内多次反射并同相叠加，从而在远场方向形成高增益波束。同时，由于FSR在非工作频带具有强吸收特性，集成后的天线系统能在宽频带内实现RCS减缩。

流程四：原型加工与实验验证 研究团队采用标准的印刷电路板（PCB）工艺加工了FSR原型。FSR阵列规模为20×20个单元，总尺寸为300 mm × 300 mm。阻抗表面（吸收层）和带通FSS层之间用16 mm厚的PMI泡沫（介电常数εr=1.08）隔开，并使用尼龙螺丝固定。集总电阻采用0402封装型号手工焊接。天线部分也按设计加工并组装。测试在微波暗室中进行。传输系数测试时，在测试架周围和下方布置吸波材料以最小化杂散反射。反射系数测试采用了5°的斜入射以规避测试系统限制。对FSR本身，测量了其在TE和TM极化、不同入射角下的S参数和吸收率。对集成后的F-P天线，测量了其电压驻波比（VSWR）、增益方向图以及单站RCS。

流程五：数据分析与性能对比 研究人员将仿真结果与实测数据进行了详细对比分析。对于FSR，测量结果显示，其在2 GHz至4.5 GHz和13.5 GHz至14.5 GHz频段内实现了约90%的吸收，透射通带（3 dB）内最小插入损耗为0.35 dB。实测吸收带宽略窄于仿真，这主要归因于加工公差和有限阵列尺寸的边缘效应。对于F-P天线，测量结果表明，与独立的DRA相比，加载FSR后，天线在11.5 GHz处获得了4.26 dB的增益提升，峰值增益达到12.1 dBi，孔径效率高达63%。RCS测试数据显示，相比于同等口径的金属平板，集成FSR后的天线在2 GHz至16 GHz的极宽频带内都保持了很低的RCS水平，且TE和TM极化下的测量结果与仿真吻合良好。研究还将该天线的性能（包括增益增强量、RCS减缩带宽、孔径效率等）与已有文献中的其他类似设计进行了表格对比，突显了其综合性能优势。

四、 主要研究结果

本研究在各个流程中均取得了明确且相互支撑的结果，逻辑链条清晰：

1. FSR设计与仿真结果：成功设计出一种基于等效电路模型的双频、双极化稳定FSR。仿真数据证实，该结构在S波段（2-4.5 GHz）和Ku波段（13.5-15 GHz）实现了超宽频（相对带宽分别达86.6%和11.3%）的强吸收（>90%）；在X波段（7-12.7 GHz）提供了一个低损耗（最小IL 0.25 dB）、宽带的透射窗口。表面电流分布图直观展示了不同频段下的能量耗散与传输机制，验证了设计原理的正确性。这一结果为后续与天线的集成奠定了核心器件基础。

2. FSR实测性能：加工原型的测试结果基本复现了仿真趋势，关键指标（如双吸收带、低损耗通带）得到实验验证。尽管吸收带边界略有收缩，但0.35 dB的最小插入损耗和宽达数GHz的透射窗证实了该FSR的实用化潜力。TE/TM极化和不同角度入射下的稳定性能测试结果，直接支撑了其应用于复杂电磁环境的可行性。

3. 天线集成与性能提升结果：将设计的FSR与双层DRA集成构成F-P谐振腔天线，这一步骤是验证FSR应用价值的关键。实测的VSWR曲线表明天线在X波段匹配良好。最重要的结果是：增益显著提升（最大提升4.26 dB，峰值12.1 dBi）和RCS大幅减缩（在2-16 GHz超宽频带内远低于同口径金属板）。这两个结果之间存在内在联系：FSR在通带内作为部分反射器，与DRA形成谐振腔，提升了方向性和增益；同时，FSR在通带外的强吸收特性，直接导致了天线系统在宽频带内RCS的降低。方向图测试表明，加载FSR后天线保持了稳定的定向辐射特性，未引起明显的波束畸变。

4. 综合性能对比结果：与已有研究的对比表格（Table I）量化地展示了本研究的优势。论文中提出的天线实现了最高的峰值孔径效率（63%）和最宽的单站RCS减缩带宽，同时增益提升效果显著。这一对比结果强有力地证明了本研究提出的“FSR+F-P+DRA”一体化设计方案，在综合性能上超越了现有的大多数方案，实现了高增益与低RCS的协同优化，而非此消彼长。

五、 研究结论与价值

本研究的核心结论是：成功设计、加工并测试了一种新型超宽带多层频率选择吸收体（FSR），并通过将其与介质谐振器天线（DRA）集成，构建了一个高性能的法布里-珀罗（F-P）谐振腔天线系统。该系统同步实现了天线增益的增强和雷达散射截面（RCS）的大幅减缩。

其科学价值在于：1) 提出并验证了一种基于等效电路模型（ECM）的、结合互补带通FSS与电阻加载高阻抗表面的FSR设计方法，为高性能双频FSR的设计提供了清晰的物理洞察和有效的设计途径。2) 展示了利用FSR的带内部分反射特性构建F-P谐振腔以提升天线增益，同时利用其带外吸波特性实现宽带RCS减缩的有效集成策略，为“隐身-通信一体化”天线设计提供了新的思路。

其应用价值显著：该设计具有宽带吸收、低插入损耗、极化稳定、剖面低、结构相对简单等优点，非常适用于下一代需要兼具低可探测性（隐身）和高通信效率的系统中，例如先进战机的共形天线罩、隐身无人平台的通信天线、以及高性能电磁屏蔽体等，具有重要的工程应用前景。

六、 研究亮点与创新

1. 高性能指标的综合实现：本研究最突出的亮点是同时在多个关键性能指标上达到先进水平，包括超宽的双频吸收带（尤其是低频段86.6%的相对带宽）、极低的通带插入损耗（0.35 dB）、显著的天线增益提升（4.26 dB）以及超宽带的RCS减缩效果（2-16 GHz），并实现了高达63%的孔径效率。这种综合性能的平衡与突破是前所未有的。
2. 创新的结构与集成方法：提出了“多层互补带通FSS”与“具有带通特性的高阻抗表面”相结合的复合FSR结构。通过巧妙的单元设计（如蜿蜒线条实现并联谐振、互补结构实现稳定带通响应），将吸收、滤波功能高效集成在有限层数内。
3. 系统级的协同设计理念：研究并非孤立地设计FSR或天线，而是将FSR作为天线系统的一个组成部分（F-P腔的上盖板），进行一体化协同设计。FSR的通带特性用于提升天线增益，其吸收带特性用于减缩RCS，二者功能在同一个物理结构上得到完美统一，体现了从器件到系统的创新思维。
4. 强大的实用性与鲁棒性：设计基于标准的PCB工艺，使用商业化的介质基板和集总电阻，加工可行性高。同时，结构具备几何对称性，保证了其对双极化和斜入射电磁波的稳定响应，这对于实际复杂电磁环境中的应用至关重要。

七、 其他有价值内容

论文在引言部分系统梳理了FSR领域的研究现状与挑战，指出了现有工作在插入损耗、带宽、极化稳定性、结构复杂度等方面的不足，为本研究的立项提供了充分的依据。在等效电路分析部分，论文提供了详细的电路模型图（Fig. 1, Fig. 5）和参数对应关系，使得设计方法具有很好的可重复性和可拓展性。实验部分详细描述了测试环境（Fig. 10）和测试方法（如采用5°斜入射测反射），保证了实验结果的可靠性和可对比性。最后，论文通过详细的图表（Fig. 6, Fig. 11, Fig. 13, Fig. 14, Fig. 15）和对比表格（Table I），全方位、多角度地展示了从仿真到测试、从器件到系统的完整数据链，使研究成果的论证非常扎实、可信。