超材料是一种人工复合材料或复合结构,可以产生常规材料所不具备的奇特的物理性质。对超材料结构进行有效的设计,可以产生特定的电磁响应,实现对电磁波相位、幅度和极化的调控。传统的金属基超材料主要存在以下几个问题:第一,金属基超材料的电磁响应主要由结构决定,固定的结构会导致固定的工作频带,需在超材料结构上添加附加元件才能实现可调性能,不利于系统集成。第二,金属基超材料存在欧姆损耗较大的问题。第三,纳米级金属超材料存在加工难度大的问题。针对以上问题,我们提出利用介质材料来设计超材料以及相关器件的方法。利用磁场、温度等因素对介电材料、铁氧体材料电磁性能的影响规律,设计了基于介质材料的超材料和相关器件,并对其性能进行了研究。本文的具体内容是基于介质超材料的超材料滤波器、传感器和吸波器等器件的结构设计和性能研究,主要包括以下几个方面:1、根据铁氧体铁磁共振受其形状、尺寸和外加磁场的影响规律,设计并制备出两种可调滤波器,实现了滤波器的宽带化性能和磁可调性能。第一种是铁氧体基超材料滤波器,利用铁氧体本征负磁导率导致的透射阻带获得滤波性能,利用铁氧体的尺寸效应获得了宽的滤波带宽。第二种是基于超常透射的波导滤波器,利用超常透射现象导致的透射通带,得到滤波性能。该波导滤波器具有双频带性能和磁可调性能。2.根据介质谐振子的Mie谐振原理,设计并制备出两种微波传感器,分别用于金属表面裂纹检测和温度检测。两种传感器均有尖锐的谐振峰、大的谐振强度和高的灵敏度。一种微波传感器是用于金属表面裂纹检测,该传感器可以检测金属表面裂纹,也可以对裂纹尺寸进行表征。第二种微波传感器是用于温度的检测。该温度传感器可以对温度进行检测。该温度传感器将谐振单元和传感单元合为一体,实现了结构简单的温度传感器设计。3.根据介电颗粒的介电常数对Mie谐振的影响规律,设计了一种基于Mie谐振的超材料吸波器。将四个具有不同介电常数的介电颗粒复合到同一个超材料结构单元中,实现了超材料吸波器吸波频带的展宽,解决了当前超材料吸波器存在的窄带问题。