人工电磁材料是由特定几何形状的周期或准周期排列的亚波长基本单元结构组成,具有异于自然材料的电磁特性的人造复合材料,英文表达为“Metamaterials”也称为“超材料”。人工电磁材料的电磁特性主要取决于材料的单元结构,而非其本身的构成材料,本文基于人工电磁材料研究的基本理论,对渐变折射率器件、隐形装置和反隐形装置进行理论设计和仿真验证。本文的主要内容如下:根据等效媒质理论,以打孔介质板为研究对象,通过对其任一单元结构进行分析,得出根据等效电容求解等效介电常数的解析方法。并将解析计算结果与数值仿真结果进行对比。通过调节打孔半径,得到渐变折射率材料,结合几何光学,设计了由打孔介质构成的偏折透镜和聚焦透镜,并用数值仿真结果验证设计的正确性。以变换光学理论为基础,设计圆柱坐标系下的内部隐形和反隐形装置。选择合适变换函数,根据Maxwell方程组的形式不变性推导了变换前后材料电磁参数转换关系,将其代入仿真软件,得到了理想的隐形反隐形效果。为避免圆柱坐标系下材料本构参数奇异值和内部隐形反隐形装置的封闭性问题,设计双极柱坐标系下的外部隐形和反隐形装置。在双极柱坐标系中,材料参数和变换等式都大大简化。结合双极柱坐标系定义及变换光学公式,得到对应材料参数,并用仿真结果确认其设计的正确性。理论分析和数值仿真结果表明,基于等效媒质理论,利用等效电容求解渐变折射率等效介电常数的方法,是一种较为准确的计算方法。应用这种方法,结合几何光学基本原理,设计的渐变折射率材料器件的能够达到预期效果。基于变换光学理论的隐形反隐形装置,能够达到理想的效果,延伸了人工电磁材料在电磁波操控方面的研究,具有一定的实际应用价值。