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超材料是一种自然界不存在的、具有奇异物理现象的人工电磁复合材料,利用其结构单元之间的局域电磁耦合效应来调控电磁波的极化状态成为超材料研究领域的一大热点。极化调控超材料结构与传统的极化调控器相比,具有几何尺寸小的优势;本论文以传输型极化调控超材料为研究对象,分析了其传输特性和极化转换物理机制,针对现有极化转换结构材料的极化机制单一、频带窄和效率低等问题,探索极化转换超材料结构新的极化转换物理机制,提出宽带、高效极化调控超材料的设计方法。主要内容如下:1.基于开口环结构的多层结构的设计。(1)开口环作为一种谐振器,其在微波段对电磁波具有良好的调控效果,因此结合偶极子贴片的滤波作用,进行多层的传输极化调控超材料的设计。设计的超材料在14.5GHz~18.2GHz具有效率超过0.8的宽带极化转换效果,其中谐振点的转换率接近1.0。(2)设计了一种基于对角开口环的三层非对称传输超材料。其中非对称传输效应可通过顶层和底层开口环结构的不同开口方向来实现,其在8GHz~11GHz和17GHz~21GHz极化转换效率超过0.8,且在反向电磁波入射时具有不同的传输特性;并通过表面电流的分析解释了该结构在0~60°具有良好的角稳定性。该结构的物理机制是通过构建F-P腔体来增强其传输效率,并通过两个z方向的腔体对其电场依次进行偏转,最终实现90°的电场转换。实验结果证实了该结构具有高效、宽带和选择性传输的特征。(3)基于电磁学巴比涅原理设计了一种双层开口环的互补结构,利用电与磁的对偶性,其在8.5GHz~12.5GHz和21.5GHz~24.5GHz可以实现极化转换的效果,这种双层的结构可以对电场起到更好的积聚效果,为下面基于基片集成波导(SIW)的极化调控超材料结构设计打下基础。2.基于SIW的极化调控超材料的设计(1)设计了基于SIW的双层极化转换器件。SIW作为一种波导器件,在调控电磁波方面由于其腔体的特性也有优良的特性。首先利用SIW的经验公式设计了一种定向y-x基于SIW的极化转换器,其通过电场高阶模式的互相耦合作用来实现电场的偏转,在谐振频点11.8GHz处转换率超过0.9。其次设计了一种极化不敏感的基于SIW的双层极化转换器,通过表层金属两个互相垂直的金属槽的引入,对任意极化的电磁波入射均可以转化为x极化的电磁波传输,且在谐振频点的转换率超过0.8。(2)提出了基于SIW的三层极化转换器,其加入了一层互补的偶极子贴片,在双层结构的基础上,有效的拓展了200%的带宽,在谐振频点11.8GHz处的转换效率超过0.9;且在相反方向入射,该结构具有明显的非对称传输现象。结构的物理机制仍是通过高阶电场的耦合作用来实现极化转换,本文也通过x和y方向电场的具体变化过程详细的分析了电场偏转的过程。最终实验结果证实了所设计的超材料具有高效、选择性极化调控的特性。(3)设计了基于SIW的双层互补结构,基于电磁学中巴比涅原理SIW的共同作用,其在6.3GHz~7.7GHz和12.8GHz~14.9GHz具有高效的极化转换效果,并通过表面的电流分布特征来解释其物理机制。