基于等效电路模型的具有极化选择性与高滚降特性的可切换吸透一体频率选择表面研究
主要作者与研究机构
本研究由电子科技大学（University of Electronic Science and Technology of China）电子科学与工程学院的Jiang Bixiao（博士生，IEEE学生会员）、Hu Haoquan、Wu Yanjie、Chen Bo、Lei Shiwen（IEEE会员）以及通讯作者Tian Jing（IEEE会员）共同完成。该研究成果于2023年5月10日被接收，并于2023年9月发表在《IEEE天线与无线传播快报》（ieee antennas and wireless propagation letters）第22卷第9期，页码为2075至2079，数字对象标识符（DOI）为10.1109/LAWP.2023.3274766。
研究的学术背景
本研究属于电磁超材料与天线设计领域的交叉前沿，核心关注的是频率选择吸透一体结构（frequency selective rasorber）。传统的吸波器（absorber）能够吸收电磁波以缩减雷达散射截面（RCS），而频率选择表面（frequency selective surface，FSS）则可以作为一个空间滤波器，选择性地允许特定频段的电磁波透过。吸透一体结构将这两者的功能结合，能够在一个宽频带内吸收带外电磁波，同时在特定工作频带内提供低损耗的传输窗口。根据吸收（A）与传输（T）波段在频谱上的相对位置，吸透一体结构可分为A-T型、T-A型以及A-T-A型，后者在两个吸收带之间嵌入一个通带。
然而，传统的无源（passive）吸透一体结构具有固定的电磁响应，其通带一旦设计完成便无法改变，导致在不需要信号传输时，其带内低损耗特性反而成为电磁屏蔽的“漏洞”。为克服此缺陷，可切换吸透一体结构应运而生。其通带可通过电子控制方式在传输、反射或吸收状态间切换，从而在带内实现按需屏蔽。尽管已有诸多研究，但现有具备双极化响应的可切换器件，往往在两个极化方向上的切换是同步进行的，缺乏灵活性。而少数具备极化选择性（polarization selectivity，PS）的器件能够在每个极化方向上独立控制工作状态，这极大地提升了器件的灵活性，但它们通常又存在滚降特性（roll-off characteristic）差和吸收带宽窄的问题。滚降特性描述了通带边缘从传输到抑制的过渡陡峭程度，高滚降特性意味着带内外转换更为迅速、选择性更高。
因此，本研究旨在提出一种全新的设计方法论，将高滚降特性和极化选择功能同时赋予可切换的A-T-A型吸透一体结构，从而研制出一款在性能与多功能性上均有显著提升的电磁调控器件。
研究流程与详细方法
为实现上述目标，研究团队系统地开展了理论分析、结构设计与实验验证三个主要阶段的工作。
第一阶段：等效电路模型（ECM）分析与滚降特性优化 设计的核心挑战在于实现高通带选择性，即高滚降特性。滚降特性主要由级联的带通FSS决定。为了获得优异的滚降性能，研究者首先对传统FSS的等效电路模型（equivalent circuit model，ECM）进行了创新性改造。如图1(a)所示，他们引入了一个包含三对串联电感-电容（SLC）谐振器的模型。这些谐振器由两层介质基板隔开，基板被建模为一段特性阻抗为Zf、长度为Tf的传输线（transmission line，TL）。模型最左侧的SLC谐振器特别集成了一个PIN二极管（pin diode），其在反向偏置状态下等效为一个电容，在正向偏置状态下则等效为一个小电阻。
通过分析该ECM在PIN二极管关断状态下的传输曲线，研究清晰的揭示了其工作机制：三个SLC谐振器各自独立地在频谱上引入一个传输零点（transmission zero，TZ）。如图2的参数分析所示，通过独立调节每个谐振器的电感（L）与电容（C）值，可以精确控制三个传输零点（TZ1、TZ2、TZ3）的频率位置。这允许设计者将三个零点分别配置在通带的低频侧和高频侧边缘，极大地压缩了通带到吸收带的过渡带，从而实现了“高滚降”特性。这一ECM分析为后续物理结构的设计提供了明确的理论指导，是本研究方法论的基石。
第二阶段：可切换吸透一体结构的全波仿真与物理设计 在ECM指导下，研究团队利用全波仿真软件设计了一个完整的单元结构（unit cell，UC），其构造如图4所示。该单元结构由两层阻抗层（resistive layer）和夹在它们之间的高性能FSS组成。
无源与有源阻抗层设计：为了在吸收器（absorber）模式下获得宽带吸收性能，器件包含一个无源的电阻层I（resistive layer I）和一个有源的电阻层II（resistive layer II）。电阻层I的表面和背面金属结构如图5(a)和(b)所示，装有固定电阻元件，用于实现宽带阻抗匹配。电阻层II是实现极化和状态可调的核心，如图5©和(d)所示，其在基板的顶部和底部分别设计了针对X极化和Y极化的金属结构，并各自装载了PIN二极管（型号为Skyworks SMP-1345）。这种正反对应的设计使得X和Y方向上的PIN二极管可以被独立地施加偏置电压，从而实现对两个正交极化电磁波响应的单独控制，这是实现“极化选择性”的关键。层间还巧妙地串联了集总电容器（Cs = 18 pF）以在偏置网络（biasing network）中隔离直流，防止短路。
高滚降FSS设计：FSS是决定通带性能的关键，其详细设计如图6所示。它由四张带有特定图案的金属片层和介质基板构成，其拓扑结构精确对应了第一阶段的ECM。为了将理论模型中的三个传输零点物理实现，研究人员设计了复杂的谐振结构来等效ECM中的SLC谐振器。同样地，FSS中也嵌入了PIN二极管，并且为了实现对X和Y极化的独立控制，在FSS的顶部增加了一层薄介质基板（Ts3 = 0.5 mm），使X和Y方向的偏置网络得以物理分离。
第三阶段：工作模式控制与实验验证 研究将两个有源层（电阻层II和FSS）上的PIN二极管状态进行组合，定义了四种工作模式，如表I所示。“OFF”和“ON”分别代表二极管的反向偏置和正向偏置状态。通过对多个二极管的通断组合，整个器件可以在以下模式间切换： * 状态-00（吸透一体模式）：X和Y极化方向的二极管均关断，器件表现为一个A-T-A型吸透一体结构，允许带内信号低损耗通过。 * 状态-11（吸收模式）：X和Y极化方向的二极管均导通，器件工作在宽带吸收器模式，全频段吸收入射电磁波。 * 状态-10或01（极化选择模式）：仅一个极化方向的二极管导通，而另一个关断。例如，状态-10下，X极化工作在吸收模式，而Y极化则工作在吸透一体模式，反之亦然。这实现了不同极化电磁波在同一时刻可以拥有不同“命运”的高度灵活调控。
为验证这一设计方法论，团队制备了实物原型（prototype），如图8所示，并在微波暗室中搭建了自由空间测试系统（free space measurement system），对样品的反射和传输系数进行了测试。
研究主要结果
全波仿真和实验测量结果高度吻合，共同验证了设计的成功。
在吸透一体模式（状态-00）下，如图7(a)和图9(a)所示，该器件展现出一个27.5%的部分传输带宽（仿真结果3.42–4.51 GHz）。样品的实测3 dB通带为3.7至4.51 GHz，相对带宽19.7%，带内最小插入损耗（insertion loss，IL）低至-1.06 dB。通带两侧是高效的吸收带，实测低频吸收带为1.75–3.45 GHz（相对带宽65.4%），高频吸收带为5–6 GHz（相对带宽18.2%）。
当切换到吸收器模式（状态-11）时，如图7(d)和图9(d)所示，该器件表现出极为宽带的吸收性能。仿真显示其部分吸收带宽高达142.9%（1–6 GHz），而实测结果也达到了142.3%的惊人带宽（1–5.93 GHz），几乎覆盖了整个所关心的频段。
在极化选择模式（状态-10或01）下，器件成功地实现了在不同极化上独立工作。如图7(b)和图9(b)所示，一个极化保持低插损的传输状态，而与之正交的另一个极化的带内信号则被有效吸收，其吸收率与吸收器模式下的表现接近。
为量化评估器件的滚降特性，研究者引入了“形状因子”（shape factor，SF）作为指标，定义为10 dB传输带宽与3 dB传输带宽的比值（BW10/BW3）。该比值越接近1，表示通带边缘越陡峭，选择性越好。通过与文献[16], [19], [20], [22], [25], [26]中的其他可切换吸透一体结构进行对比，如表II所示，本工作的形状因子达到了最优值，有力地证明了引入传输零点设计方法在提升频率选择性方面的巨大优势。此外，其吸收带宽和通带带宽也在同类双极化A-T-A类型器件中表现最优。
结论与研究价值
本研究成功提出并验证了一种设计兼具高滚降特性与极化选择性的可切换A-T-A吸透一体结构的方法论。其科学价值在于：首先，系统地建立并阐明了一种通过多传输零点提升吸透一体结构通带边缘滚降特性的ECM设计方法；其次，创新性地将极化独立控制巧妙地融入有源阻抗层和频率选择表面的结构设计中，实现了两种物理机理的有机融合，为多功能电磁器件设计提供了新范式。
在应用价值方面，该研究成果意义重大。所设计的器件能够在吸透一体、极化选择和全吸收三种模式间灵活切换，可极大提升现代无线电子系统的电磁兼容性和智能调控能力。例如，在包含多极化天线的先进雷达或通信系统平台上，该器件可作为智能天线罩（radome），在需要通信时提供低损耗传输窗口，而在遭受电磁干扰或需要隐身时，可切换至吸收模式进行全频段屏蔽，或切换到极化选择模式，选择性地滤除特定极化的干扰信号而保证另一极化信号的正常收发。这种前所未有的灵活性，使该设计方法论在寻求高效、快速、多功能电磁调控解决方案方面极具前景。