新型电磁超材料的结构设计和性能优化、电磁场与物质耦合作用的研究、超材料器件的制备等,对推动其在电磁隐身、光学器件等领域的应用具有重要意义。本文正是基于这些研究热点,以曲面超材料为研究对象,以结构设计和电磁响应特性为研究内容,采用数值模拟、理论分析和实验验证相结合的方式,研究了多种构型的曲面超材料对电磁波的调控特性,包括吸收特性、极化转换特性和传输特性等。主要工作和成果如下:(1)提出了一种矩形金属图案的锯齿状曲面超材料吸波器,当入射电磁波的电场方向与锯齿的脊垂直时,该吸波器可以在四个频点对入射电磁波几乎实现完美吸收。曲面超材料表面金属层中的电流分布表明,在入射电场的激发下,曲面超材料可以产生基频,二阶、三阶和四阶磁谐振,这是超材料具有多频吸波特性的根本原因。参数反演的数值结果显示在每个吸收峰,曲面超材料的等效阻抗实部近似等于1,虚部近似为零,表明等效阻抗理论依然适用于我们的曲面超材料。相较于具有相同金属图案的传统平面超材料,我们的曲面超材料吸波器在性能上获得大大提升。同时,仿真结果表明入射电磁波的偏振方向对吸收性质有显著影响,而锯齿的弯曲程度,在一定范围内对吸收特性的影响可忽略不计。我们这种利用单一结构实现多频点谐振的方式,可为研究和设计多频甚至宽频带超材料吸波器提供参考。(2)设计并制作了一种锯齿状双折射反射型多功能曲面超材料,它能够在低频段(2-8 GHz)对电磁波多频吸收,或者在高频段(8.43-11.55 GHz)将线极化入射波的极化方向旋转任意角度进行反射。产生这一现象的原因是,一方面锯齿状超材料保持了多频吸波的特性,另一方面弯折的锯齿状空间构型使得超材料的电磁特性对电磁波的极化方向变得敏感。在8.43-11.55 GHz的宽频带范围内,极化方向垂直和平行于锯齿脊的电磁波,入射到超材料后都发生全反射,但相位相差180°,因此,反射和入射波的偏振方向关于锯齿的脊对称。在实际应用中我们可以通过调节入射波的极化方向,或者改变曲面超材料的方位来灵活地选择和利用它的电磁调控特性。(3)设计并制作了一种锯齿状反射-透射型多功能曲面超材料,从5.24 GHz到14.52 GHz的宽频带内,对线极化入射波,我们的曲面超材料可以连续调节反射波和透射波的能量比,对圆极化入射波,它又可以将圆偏振波转化成线偏振波,电磁能量一半被反射一半透射出去。产生这一现象的原因是锯齿状曲面超材料在构型上的各项异性,使得其对极化方向不同的电磁波的响应产生巨大差异,具体而言就是方向垂直于锯齿的脊极化的波可以全部透射,而平行于锯齿的脊极化的波被全反射。这种锯齿状曲面超材料可以作为超宽带偏振分束器、圆-线极化转换器或是半波片,用于天线、传感、隐身等领域。(4)基于3D打印技术,设计并制作了一种前后表面都是一维正弦曲面,金属图案为双“L”的曲面手性超材料,实现了电磁波在8.26-9.13 GHz和9.21-11.16 GHz两个波段的双宽带非对称传输,非对称传输系数大于0.6。同时透射波可实现超宽带极化转换,极化转换率高于80%的相对带宽达到43.64%。仿真结果显示我们的设计和结论也可用于工作于THz波段的超材料研究。我们的曲面超材料具有结构简单,带宽宽等优点,在电磁开关、滤波、频率选择等领域具有潜在的应用价值。(5)基于3D打印技术,设计并制作了一种类似折纸结构的具有手征特性的二维曲面超材料。与具有相同金属图案的平面超材料相比,我们的二维曲面超材料可以在双频点实现巨圆二色性。表面电流分析表明,在谐振频点,金属中的表面电流产生的等效磁偶极子方向与电偶极子方向平行,是使得超材料产生手性选择特性的原因。同时,计算结果显示我们的曲面超材料可以有效地减小材料的相对密度,有利于功能材料向着轻质化方向发展。本文通过仿真设计、理论分析和实验测试相结合的方式,研究了三种锯齿状、一种双面正弦曲面和一种折纸构型的曲面超材料的电磁调控特性,内容涉及对电磁波的振幅、相位和传播方向的调节。我们的曲面超材料可用于隐、传感、天线等诸多领域,我们的设计思想有利于推动超材料功能器件向着小型化、一体化和轻质化方向发展。