设计开发新型超材料功能器件以及研究超材料对传统微波器件的改进作用已成为目前国际上最前沿的科学热点,本文以超材料为背景,研究内容包括:超材料吸波体,用于太赫兹检测领域的分形开口环谐振器,由谐振型复合左右手传输线构建的耦合线型耦合器。主要工作有以下四个方面:1、提出了两种分别以科赫(Koch)、谢尔宾斯基(Sierpinski)分形曲线为谐振单元的新型超材料吸波体(metamaterial absorber,MA),实现了双频吸收、单元尺寸小型化、极化不敏感和吸收性能受入射角影响小的优异性能。本文中设计的分形MA与基于传统结构的MA相比存在三个较为显著的优势:一、与传统MA实现双频吸收所采用的组合法和层叠法不同,分形MA的双频特性来源于自身结构的自相似性,其谐振阵列结构中的所有单元都具有相同的形状、相同的尺寸且都处于同一平面上,所以克服了组合法中存在的单元尺寸较大、层叠法中存在的吸波体厚度增大等缺点。二、源于分形结构的空间填充性,在相同吸收频率下分形MA相比传统MA具有更小的单元尺寸。三、在相同单元尺寸下,分形MA的第二吸收频率比传统MA的吸收频率要高,利用这个特点可以突破传统MA的吸收频率上限,在相同加工精度下制造出吸收频率更高的光波段MA。文中分别采用等效介质理论和干涉理论对分形MA进行了详细的分析,并设计了两种分别工作于微波、太赫兹频段的Sierpinski分形MA,发现这两种频段下的分形MA在吸收性能和单元尺寸压缩能力方面具有较好的一致性,验证了MA是一种具有缩比性的谐振结构。2、提出了一种以非频变结构(frequency independent structure,FIS)——四臂阿基米德螺旋为谐振单元的MA。FIS是一种具有与分形自相似性性质类似的结构,由于不具备分形的空间填充性,其在单元尺寸小型化方面没有优势,但仍能实现与分形MA类似的三频吸收、极化不敏感和吸收性能受入射角度影响小的优异性能。提出并分析了MA谐振阵列的填充率问题,发现在以吸波体厚度增大为代价下,填充率仅为25%的稀疏阵列结构仍然可以获得与全填充阵列相似的吸收性能。这种多频单元+稀疏阵列的结构最大优势在于通过在未填充区域填充以调谐单元,可以进一步增加多频MA的吸收频段或拓展已有吸收频带的宽度。通过采用这种方法,在本文中分别设计了一种具有七个吸收峰的MA和一种能同时在三个频段展宽吸收频带的MA。3、分析了开口环谐振器(split-ring resonator,SRR)用于太赫兹检测的灵敏度问题,发现TE极化下源于LC共振的谐振频率与TM极化下源于偶极子共振的谐振频率相比,在检测灵敏度方面并无优势。在被测物厚度和介电常数的影响下,这两种谐振频率具有相似的变化趋势,而真正影响灵敏度高低的是检测频率:检测频率越高,其受被测物影响所产生的频率偏移量就越大,灵敏度也就越高。将Sierpinski分形曲线应用于传统SRR结构中,在TM极化下,分形结构的高次谐振频率在相同单元尺寸下比传统SRR结构的谐振频率要高,在本文中利用这个特点,发现在相同被测物影响下,一阶Sierpinski分形SRR第二谐振频率处的检测灵敏度最大。4、设计分析了一种以谐振型复合左右手传输线(composite right-/left-handed transmission line,CRLH TL)为耦合线的耦合器结构。CRLH结构的特点是同时具有左手传输频段和右手传输频段,并且在两者之间存在一个β=0、α>0的传输禁带。与传统耦合线型耦合器的耦合度与βl相关的工作原理不同,CRLH耦合器的耦合度由αl决定,可由公式证明,当αl足够大时,CRLH耦合器的耦合度可以达到0 dB,实现全耦合。谐振型CRLH耦合器的设计过程共分三个步骤:首先提取CRLH单元结构的等效电路参数用以分析CRLH结构的内在物理机制,然后分析了“平衡态”CRLH TL的实现方法,最后以此构建了CRLH耦合器结构。该型耦合器在1.96 GHz处取得最大耦合度maxC=0.52 dB,3 dB耦合带宽约为25.8%。通过调整CRLH TL的结构参数,在本文中还设计实现了一种3 dB CRLH耦合器,工作频带从1.99 GHz到2.23 GHz,相对带宽为11.4%。由于自身结构的谐振性,谐振型CRLH耦合器的工作带宽略窄,但其最大的优点在于结构完全平面化,易于系统集成,而不是像传输线型CRLH结构那样在介质板的上下两层之间需要进行打孔连接。