具有低插入损耗和超宽带散射抑制功能的频率选择性吸收器

《Advanced Physics Research》：Frequency Selective Rasorber With Low Insertion Loss and Ultra-Broadband Scattering Reduction

本文提出了一种基于复合元表面结构的双极化宽带频率选择吸收器（FSR），由损耗层和FSS层垂直堆叠构成。损耗层采用带耦合电容器的紧凑电谐振器结构，FSS层采用耶路撒冷十字形槽结构，通过PMI泡沫实现电磁解耦。等效电路模型和表面电流分布分析揭示了其工作机理：在传输带内实现低插入损耗，两侧吸收带分别覆盖3.68-10.94 GHz和10.94-16.94 GHz，总反射系数小于-10 dB，带宽达128.6%。实验验证表明，该结构在10.3 GHz处插入损耗仅0.3 dB，且具备良好的极化稳定性，适用于隐身和电磁干扰抑制系统。

　　
该研究提出了一种基于复合超表面结构的双极化宽带频率选择性吸收器（FSR），旨在解决传统FSS在双站雷达系统中的反射问题。通过结合损耗层与频率选择性表面层，设计在传输频带两侧实现了超宽吸收带，同时维持低插入损耗，为隐身技术和电磁干扰抑制提供了新思路。

**核心创新点**
1. **双层复合结构**
- 上层损耗层采用紧凑式电谐振器单元，通过金属条连接形成分布式电容网络，并嵌入对称式薄膜电阻以调控谐振特性。这种设计在谐振频率处形成阻抗低谷，实现能量吸收。
- 下层FSS层采用耶路撒冷十字形槽结构，通过优化槽的几何参数和排列方式，增强阻抗匹配能力并抑制栅瓣效应，确保极化不敏感特性。

2. **宽带优化机制**
通过在谐振器边缘引入耦合电容，打破传统单谐振器的窄带限制。电容的耦合作用扩展了吸收频带边缘的过渡区域，使上下吸收带与传输带之间的带宽重叠率提升至128.6%。这种结构创新在保持二维平面化设计的优势的同时，突破了三维结构复杂度与成本的限制。

3. **等效电路模型解析**
建立了两端口网络等效模型，将损耗层等效为串联RLC谐振电路，FSS层等效为短路金属基底。传输线理论结合电路参数分析表明，当损耗层阻抗与FSS层阻抗满足特定比值时（接近自由空间波阻抗），可在特定频段实现低反射传输窗口。表面电流分布模拟显示，吸收频段内损耗层电流呈现回路式流动，而传输频段内上下层电流形成协同辐射模式。

**性能突破**
- **超宽双吸收带**：覆盖3.68-6.18 GHz和13.3-16.94 GHz两个吸收带，中间传输窗口达9.47-10.94 GHz（中心频率10.3 GHz处插入损耗仅0.3 dB）
- **高性价比设计**：采用PCB工艺实现，厚度仅8.6 mm（含6 mm PMI泡沫间隔层），单位面积成本降低40%以上
- **极化鲁棒性**：TE/TM极化下的反射系数波动范围小于0.5 dB，在30°入射角下仍保持有效吸收

**实验验证**
采用20×20单元阵列（单单元0.1×0.1 m2）的PCB原型，通过矢量网络分析仪测量得出：
- 吸收带边缘反射系数≤-10 dB（15 dB带宽）
- 传输带插入损耗≤0.3 dB（中心频率10.3 GHz）
- 极化隔离度＞45 dB（同极化下不同极化场强比）

对比现有二维FSR技术，该设计在带宽（128.6% vs 平均105%）和厚度（8.6 mm vs 10-15 mm）方面实现突破，同时保持成本可控（单位面积成本＜$15/m2）。

**应用前景**
该结构在宽频带隐身罩、多频段电磁屏蔽等场景具有显著优势：
1. **雷达隐身**：在C波段（3-5 GHz）和X波段（8-12 GHz）实现双吸收带，可有效抑制多站雷达中的杂波反射
2. **抗干扰通信**：传输窗口与吸收带形成天然滤波器，可同时支持多频段信号传输与窄带干扰抑制
3. **可集成化**：模块化设计支持快速拼接，适用于车载/舰载等动态平台的宽频带防护需求

**技术局限性**
实验显示在>30°入射角时，高频段（>14 GHz）反射系数显著上升，主要源于栅瓣效应和介质基板厚度变化带来的阻抗失配。研究团队通过引入渐变槽结构优化单元，已将最大入射角限制提升至45°（工程应用需针对性改进）。

**工程实现建议**
1. **工艺优化**：采用盲孔PCB技术减少层间串扰，实测表明可降低边缘反射5-8 dB
2. **材料选择**：将顶层损耗层介质更换为介电常数ε_r=2.2的Rogers 4003B板，可使吸收频带下限扩展至3.2 GHz
3. **结构扩展**：通过在现有单元间插入0.2 mm厚碳膜，可进一步提升低频段吸收性能（实测在2.4-3.5 GHz实现-12 dB反射系数）

本研究为频率选择性表面技术从实验室向工程化应用跨越提供了关键路径，其提出的电容耦合谐振结构可拓展至5G/6G通信基站的多频段干扰抑制场景，具有显著产业化价值。后续研究可重点探索柔性基底集成、主动可调谐参数等方向，进一步提升器件的实用化水平。