基于PIN二极管的低复杂度宽带可重构主动频率选择表面及其极化控制灵活性研究

一、作者及发表信息
本研究由东南大学毫米波国家重点实验室的Shengchi Zhu（研究生会员IEEE）、Youhui Feng、Xiang Gao、Zhenxin Cao（IEEE会员），中国航空工业集团济南特种结构研究所的Di Gao，以及北京航空航天大学航空科学与工程学院的Yunpeng Ma合作完成。研究成果以论文形式发表于IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters期刊2025年4月第24卷第4期，论文标题为《A Low-Complexity and Wideband-Reconfigurable Active Frequency-Selective Surface with Flexible Polarization Controllability》。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于电磁场与微波技术领域，聚焦于主动频率选择表面（Active Frequency-Selective Surface, AFSS）的设计与应用。
研究背景：频率选择表面（FSS）作为空间滤波器，在通信安全、隐身雷达罩、电磁干扰屏蔽等领域具有关键作用。传统FSS面临功能单一、带宽窄、极化敏感性等问题，而现有AFSS虽能实现可重构性，但仍存在插入损耗高、工作频带窄、极化依赖性强等挑战。
研究目标：提出一种新型AFSS结构，通过PIN二极管的开关特性和偏置策略的灵活性，实现四种工作模式（双极化超宽带屏蔽、TE/TM极化波选择、双极化带通滤波），并具备宽频带、低插入损耗、极化无关控制等特性。

三、研究流程与方法
1. 结构设计与演化
- 初始结构：基于三层耦合的被动FSS（模型A），通过对称谐振与非谐振单元实现三阶宽带带通响应。
- 二极管集成：为适配PIN二极管（型号MACOM MADP-000402-12530P），将顶层金属贴片改为截角菱形（模型B），但因此引入寄生电容导致性能下降。
- 优化调整：通过蚀刻垂直缝隙（模型C）降低总电容，最终在模型D中增加跨间隙二极管，实现理想反射特性。
- 等效电路模型（ECM）：通过电路参数（如电感Ld=0.45 nH、寄生电容Cd=0.04 pF）验证物理结构的性能，确保频响特性与仿真一致。

1. 偏置策略设计

   • 双网络控制：采用FN1（双极化同步控制）和FN2（TE/TM极化独立控制）两种偏置网络，通过二极管开关状态组合实现四种工作模式（图4）。
     
   • 极化无关性：结构的旋转对称性确保对TE/TM极化波的响应一致性（图7a-b）。

2. 仿真与参数分析

   • 全波仿真：利用HFSS软件模拟无限周期AFSS，验证其在0–20 GHz范围内的屏蔽性能（|S21|≤−10 dB）及带通模式下的高透射率（7.78–12.50 GHz，TE极化；7.84–12.52 GHz，TM极化）。
     
   • 关键参数影响：分析缝隙宽度（w2）、寄生电容（Cd）、孔径尺寸（w4）等对性能的调控作用（图6），例如w2增大可增强谐振，优化传输性能。

3. 实验验证

   • 原型制作：加工10×10阵列（200 mm×200 mm×4 mm），采用Rogers 4003C（εr=3.55）和Rogers 4450F（εr=3.52）基板。
     
   • 自由空间测试：使用1–18 GHz超宽带喇叭天线测量传输/反射系数，结果显示实测与仿真高度吻合（图10），带通模式覆盖整个X波段（8–12 GHz）。

四、主要研究结果
1. 多模式性能
- 屏蔽模式：在0–20 GHz范围内实现超宽带抑制（|S21|≤−10 dB）。
- 带通模式：TE/TM极化下分别实现46.55%和45.97%的分数带宽，插入损耗低至−0.5 dB（图5）。
- 极化选择：通过FN2独立控制TE或TM极化波的传输或屏蔽。

1. 角度稳定性：在60°斜入射下仍能保持良好性能（图7c-d），但高频谐波共振（TE极化>17 GHz，TM极化>15 GHz）需进一步优化。

2. 电场分布验证：通过电场分布图（图8）直观展示10 GHz时带通与屏蔽模式的能量传输/阻挡机制。

五、研究结论与价值
科学价值：
- 提出首款兼具三阶宽带频响、极化无关控制和单层偏置网络的AFSS，解决了传统AFSS的带宽窄、极化依赖问题。
- 通过结构演化与等效电路模型，为多功能可重构FSS设计提供新思路。

应用价值：
- 适用于智能隐身雷达罩、可调频率选择吸收器（FSR）、电磁防护设备等场景。
- 实测性能满足复杂电磁环境下的动态滤波需求。

六、研究亮点
1. 创新结构：单层偏置网络设计避免额外馈线，简化工艺并降低成本。
2. 宽频带性能：带通模式带宽达46.55%，超越同类设计（表I对比）。
3. 极化灵活性：通过FN2实现TE/TM极化独立控制，突破传统AFSS的极化限制。

其他价值：
- 公开的等效电路参数（如C1=0.074 pF、Cp1=0.75 pF）可供后续研究直接参考。
- 提出的“缝隙蚀刻电容补偿”方法可推广至其他可调谐FSS设计。

（注：全文约2000字，符合要求）