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极化转换器具有控制电磁波极化方向的功能，其在微波毫米波以及纳米光子器件设计领域有着非常广泛的应用。但是传统的极化调控器件设计过程较为复杂，且对材料和加工工艺的要求很高。人工电磁超表面(Metasurface)作为一种二维平面周期或者非周期的人工单元结构构成的复合电磁材料，可以通过其不同的超表面结构单元实现对电磁波的幅值和相位任意调控，从而达到对电磁波极化调控的目的，大大减小了设计与加工的难度。针对工程应用中极化转换器的带宽和多极化转换的问题，本论文通过优化超表面单元结构，分别设计了反射型和透射型极化转换器，实现对不同极化电磁波的高效调控。在此基础上，将超表面极化转换器与天线相结合，提供了一种圆极化设计新思路。主要研究内容包括以下方面： (1)首先对反射型超表面极化转换器进行了研究，利用干涉原理分析了反射型极化调控器的工作原理。在不对称十字矩形贴片周围加载不对称的十字矩形环，实现了在频带13.2-21.4GHz内将垂直入射的线极化波转化为圆极化的反射波。进一步，提出了由两个尺寸不同的L型贴片单层构成的多极化转换超表面，在5.5-22.75GHz频带内实现了三种不同的极化转换功能。该设计对于构建多功能极化转换器件具有重要作用，在雷达天线罩、远程传感器和辐射计等方面具有广泛的应用前景。 (2)由于辐射源的遮挡效应是反射型化转换器在工程应用中不可避免的问题，论文进一步对透射型超表面极化转换器进行了研究。首先，在上一章的基础上进一步阐述了透射极化调控的原理。其次，在切角方形贴片的基础上，设计了一款“风扇”型贴片结构的透射型极化转换器，在4.4-7.7GHz频带内将线极化垂直入射的电磁波右旋圆极化透射波，3-dB相对轴比带宽为54%。进一步通过圆柱形金属过孔连接上下层表面，形成了2.5维的超表面结构，使得3-dB相对轴比带宽拓宽到64%。 (3)最后对加载极化转换超表面的新型圆极化天线进行了研究。首先设计了一款基于电磁超表面的反射型极化转换器，在4.1-8.6GHz频带内实现了高效的交叉极化转换性能，然后将其加载于一款全向线极化微带天线的背部,利用超表面的900极化旋转效应，使得整个天线结构实现了双频双圆极化辐射特性，同时增益提高了大约4dB，为微带圆极化天线的设计和研究提供了一个崭新的方向和途径。