人工电磁材料是由周期排列的亚波长微小结构组成的人工介质,其电磁参数能够通过对结构和排布方式的调整进行任意设计,从而展现出自然材料所不具备的奇异物理性质。因此,人工电磁材料自提出以来便成为了电磁场与微波技术领域的研究热点。随着电磁器件逐渐趋向轻量化、小型化、共形化的方向发展,二维形式的人工电磁材料——超表面应运而生。超表面能够实现对电磁波的高效调控,且具有重量轻、厚度薄等优势,极大地拓宽了人工电磁材料的实际应用前景。本文开展了超表面在电磁波宽带吸波和极化调控方面的应用研究工作。在宽带吸波方面,基于超表面Salisbury屏(Metasurface Salisbury Screen,简称MSS)的概念设计了微波段光学透明型宽带吸波、太赫兹频段可调宽带吸波以及极化选择型宽带吸波/透射结构;在极化调控方面,利用加载PIN管的可调单元构建了编码超表面,实现了宽带电磁波极化转换。具体研究内容如下:1、研制了具有超宽带吸波功能的超表面Salisbury屏。通过构造超表面的相位特性,在多种超表面Salisbury屏单元中分别激励工作在不同频点的谐振模式,并利用算法优化各类超表面Salisbury屏单元的配比和空间分布特性,实现最佳的宽带电磁吸波效果。同时,采用光学透明材料氧化铟锡和石英玻璃分别作为导电和介质材料,制备了微波段光学透明的超宽带吸波结构,获得了在4.1 GHz至17.5 GHz(相对带宽128%)内接近90%的吸波效果,极大地拓展了普通Salisbury屏吸波器的工作带宽。该高透明度的宽带吸波特性在视窗隐身中具有良好的应用前景。2、在超表面Salisbury屏结构中引入双层石墨烯层代替电阻膜,并利用石墨烯的电导率可调特性设计了一种太赫兹可调宽带吸波结构。该结构不但能够在0.68 THz至1.62 THz的带宽内实现87%以上的吸波率,并且通过调节石墨烯层的偏置电压控制表面电阻,可实现高效吸波与高效反射之间的动态切换。3、利用栅状结构的极化选择特性,设计了栅状超表面和栅状电阻膜层,并构建具有极化选择特性的双功能超表面Salisbury屏。该结构具备在y极化入射下宽带吸波(4-14.2 GHz),在x极化入射下的高效透射功能,从而丰富了其对电磁波的调控功能。4、通过加载PIN管的方式构建可重构单元,并由此形成1比特可调编码超表面单元。单元在加载正负向电压的两种状态下,对应的交叉极化分量能够在3.5 GHz到5GHz范围内保持稳定的180度相差。在此基础上,结合可编程门阵列,形成可编程超表面,并通过输入不同的编码序列,实验验证了高反射与高效极化转换的切换、双波束夹角扫描以及三波束、四波束等多种复杂波束调控功能,从而实现了对波束的实时动态宽带调控。