电磁波吸收材料的多频段协同难题：天线系统如何实现“通带透波、带外吸收”

在电子系统的电磁兼容设计中，有一个场景长期存在设计矛盾：天线需要在其工作频段内高效收发信号，但工作频段之外的环境电磁噪声却需要被抑制。传统的金属屏蔽体可以阻挡带外干扰，但会同时屏蔽掉通带信号；传统的吸波材料可以吸收带外干扰，但损耗介质在通带内也会引入插入损耗，降低天线效率。

这个矛盾在雷达天线罩和宽带通信天线中尤为突出。传统金属频选表面（FSS）天线罩依靠几何外形将带外信号反射到远离来波的方向，但随着多基地雷达和反隐身技术的发展，反射型频选表面反而增大了被探测的风险。更优的方案是将带外信号吸收掉，而不是反射出去。频率选择吸波体（Frequency Selective Rasorber, FSR）正是为解决这一问题而发展的技术路径。它的设计目标可以用一句话概括：在指定频带内让电磁波低损耗透射，在频带外将电磁波吸收而非反射。

吸透一体结构的工作原理

频率选择吸波体的核心结构由两层功能层组成：上层的损耗层和下层的带通频选层。

损耗层通常由电阻膜或导电图案构成，对带外电磁波呈现吸收特性。带通频选层位于损耗层下方，对通带频率的电磁波呈现透射窗口，同时对带外频率的电磁波呈现反射特性。这里的“反射”不是将电磁波反射回自由空间，而是将穿透损耗层的残余电磁波反射回去，使其再次经过损耗层被二次吸收。这种“吸收-反射-再吸收”的多重过程，使带外电磁波的衰减效率显著提升。

西北工业大学孔杰教授团队提出的双层超材料复合结构是这一设计思路的典型代表。研究团队将三维超材料吸波体与频率选择表面结合，构建了具备低频透波与高频吸收功能的复合体系。该结构总厚度仅为 6 毫米，在 3.5–7 GHz 频段内实现高效信号传输，在 12–18 GHz 频段内实现高效电磁波吸收，综合带宽与厚度均优于现有频率选择吸收体。其吸波机制可大幅降低雷达散射截面，对应对双/多基地雷达系统具有重要意义。

能量选择表面：兼顾高功率防护与带外吸收

频率选择吸波体的另一条技术路线是引入能量选择功能。能量选择表面（Energy Selective Surface, ESS）能够根据入射电磁波的功率自适应地切换工作模式——低功率信号入射时保持透射模式，高功率微波入射时自动增强屏蔽效能。

一项代表性的 ESS 设计通过在上层引入双模态共振吸收层，实现了自适应防护与带外吸收的集成。在 1.88–2.47 GHz 的通带内，插入损耗低于 1.5 dB；在 7.8–23.18 GHz 的带外频段，吸收率超过 90%。当受到高功率微波辐照时，通带内的屏蔽效能增强至 30 dB 以上，同时在 7.5–22.9 GHz 范围内保持有效吸收性能。这种功率自适应的特性使其在需要同时应对常规电磁干扰和高功率微波威胁的场景中具有独特价值。

另一种方案将能量选择表面与损耗层结合，利用 p-i-n 二极管的非线性响应实现通带-阻带的可切换特性。在低功率入射下，3.58 GHz 处实现 0.9 dB 的低插入损耗，5.87–17.88 GHz 范围内实现超宽带吸收。当入射场强超过 740 V/m 时，通带传输功率迅速下降，更大屏蔽效能达到 18 dB。这种“平时透明、威胁时屏蔽”的特性，为高功率微波防护与电磁隐身的兼顾提供了工程可行的方案。

不同类型 FSR 的适用边界

频率选择吸波体按照通带和吸收带的相对位置，可以分为几类不同的构型：

通带在高频、吸收带在低频的类型，适用于 P/L 波段需要吸收、C/X/Ku 波段需要透射的场景。一项超小型化 FSR 设计在 500 MHz–2.25 GHz 范围内实现了超过 90% 的吸收（相对带宽 127.3%），同时 4.6–13.8 GHz 范围内实现了 −1 dB 的透射带宽。该结构的单元尺寸仅为 0.026 λL × 0.026 λL × 0.10 λL，适用于超宽带天线系统的低频 RCS 减缩和 EMI 抑制。

通带在低频、吸收带在高频的类型，则适用于需要低频通信、高频隐身的场景。上述西工大的双层超材料结构即属于此类，低频通带覆盖 3.5–7 GHz，高频吸收带覆盖 12–18 GHz。

下表汇总了不同类型频率选择吸波体的功能特征：

工程选型中的三个判断

对于需要在天线系统中集成吸透一体化功能的场景，选型时建议优先确认以下三点。