人工电磁材料(又称“超材料”)是由人工设计的结构单元经周期性排布形成的复合材料,其电磁参数可由人为调控,能够展现出许多自然界中的材料所不具备的电磁特性。人工电磁表面是将亚波长的电磁单元以二维周期进行排布形成的阵列,可看作人工电磁材料的二维形式。人工电磁表面可以对电磁波进行有效的调控,相比于人工电磁材料,人工电磁表面体积小、重量轻,使用起来方便灵活,广泛应用于军事、通信等领域。经过几十年的发展,如今的人工电磁材料向着轻型化、小型化、灵活化的方向发展,相继出现了各种由新工艺制备的人工电磁材料,纸基超材料(超表面)就是其中的一个代表。纸基超材料是以纸张为主要介质基板的超材料,它的主要制备方式是由装有导电墨水的喷墨打印机在纸张上进行超材料结构的打印。与使用PCB工艺制备的超材料相比,纸基超材料具有重量轻、厚度薄、可折叠、易共形、成本低、加工过程无污染等优势,具有广阔的应用前景。目前纸基超材料的制备方式主要是喷墨打印。由于喷墨打印的设备十分昂贵且相关墨水的制备也较为复杂,因此本文探索了使用绘制方式制备纸基超材料的方法,该方法所需的设备成本低且绘制原材料的选择范围广。我们采用自动绘图仪作为绘制工具,使用含有导电墨水的圆珠笔进行导体的绘制,使用自动铅笔进行电阻的绘制,并对如何提高绘制的工艺水平进行了探究。为了验证绘制方法制备超材料的可行性,我们设计了纸基吸波器、纸基转极化器和纸基编码超表面并使用绘制方法进行制备。本文的具体工作如下:1.引入自动绘图仪作为绘制工具,实现了绘制的自动化和精确化。研究了如何使用含有导电墨水的圆珠笔进行导体结构的绘制。研究如何使用自动铅笔进行电阻的绘制,包括笔芯的石墨含量、绘制时施加的压力以及重复绘制次数这三个因素对于所绘电阻的影响。为了建立压力与阻值的模型,我们在一定范围内随机选择压力进行电阻的绘制并测量其阻值,再使用线性回归模型拟合数据,得到最终的模型。为了提高纸基超材料的耐用性和使用寿命,我们引入了塑封工艺对纸基超材料加以保护。2.为了加快吸波结构的优化速度,我们使用等效电路模型对方环型吸波结构进行建模并根据等效电路模型进行优化。为了实现超材料结构参数优化过程的自动化和智能化,我们使用Matlab编写了基于遗传算法的超材料联合仿真优化程序。该程序可以自动调用CST进行仿真并通过遗传算法对超材料结构参数进行优化,参数之间的约束关系和遗传算法的适应度函数均可自由设置,比仿真软件CST中内置的优化模块更为灵活。3.基于等效电路模型设计了纸基方环型吸波结构并使用绘制方法进行制备,测试结果表明纸基吸波结构可以在宽频带内实现反射率低于-10d B的电磁波吸收功能。基于滤波原理设计了纸基透射型转极化器并使用绘制方法进行制备,测试结果表明纸基转极化器可在宽频带内实现效率为90%以上的转极化功能。通过结合随机表面和吸波结构的原理设计了散射和吸收相结合的新型纸基电磁编码表面,仿真结果表明纸基电磁编码表面可以在宽频带内实现背向10d B以上的RCS缩减效果。