新型超材料设计,探索其单元结构电磁响应特性,完善其理论计算体系和分析方法,推进其在隐身材料、光电器件等领域的应用研究具有重要的意义。本论文基于这些研究热点,为实现完美电磁损耗、传输以及极化转换等电磁特性调控,提出了一系列超材料基本单元结构设计方案。采用数值模拟、实验验证以及理论分析,研究超材料单元结构电磁响应特性,探索单元结构内部机制。主要工作及创新成果如下：1.基于十字型结构,构造出单频带、双频带以及宽频带超材料吸波体。首先、设计了十字型结构完美超材料吸波体,通过仿真和实验进行了验证。基于谐振电路理论,通过仿真进一步研究了十字型吸波体谐振吸收频率对其几何参数的依赖关系。其次、设计了十字型结构单层共平面双频段、四频段以及多频段完美超材料吸波体并提出对应的等效电路模型,通过仿真进行了理论分析和验证。最后、基于多重谐振叠加原理设计了十字型多层结构吸波体并通过仿真和实验进行了验证,设计的四十层十字型结构吸波体,吸收率大于80%的相对带宽达到了63.3%。2.基于集总元件的超材料吸波体宽频化设计。在传统的超材料单元结构中加载集总元件能够有效地改善电磁谐振特性与阻抗匹配特性,增强电磁损耗,展宽吸收频带。基于这一思想提出了两种不同谐振器加载集总元件的宽频带超材料吸波体。分别建立了对应的等效电路模型,利用反演法提取等效电磁参数和单元结构表面电流分布解释其吸收机理,通过单元结构能量损耗分布特点分析其吸收特性,最后通过实验进行了验证。设计的集总元件加载的U型结构吸波体吸收率大于90%的相对带宽达到81%。设计的集总元件加载的四重开缝环复合结构吸波体在2-6GHz范围内吸收率大于90%的相对带宽达到50%。3.巨圆二色性、巨旋光性、超透性与负折射率手征超材料设计。首先,设计了一种基于四重90°交错开缝环对结构平面手征超材料,实验测试得到的圆二色系数在谐振频点达到0.58,同时该结构还具有负折射特性。其次,基于Babinet原理设计了互补U型结构组合双层平面手征超材料,实验测试得到的极化旋转角达到83。,旋光效应得到了有效的增强,同时表现出双频带负折射特性。进一步降低该手征超材料单元结构尺度,其在红外频段同样表现出巨旋光效应和负折射特性。最后,设计了超薄双层互补共轭结构手征超材料,并进行了仿真分析实验验证。该手征超材料不仅表现出巨旋光效应和负折射特性,同时还具有超强透射特性,透射系数达到0.87。还研究了传输系数、旋光效应以及负折射特性对手征结构几何参数的依赖关系。4.基于不对称结构平面手征超材料极化转换器设计。首先,设计了一种基于不对称的圆形双开缝环谐振器(Double Split Ring Resonator, DSRR)结构手征超材料完美双频带圆极化转换器。设计的结构在谐振频点能将入射的线极化波分别转换为左旋圆和右旋圆极化波,圆极化抑制比绝对值均超过30dB,并通过实验进行了验证。进一步降低单元结构尺度,其在太赫兹频段同样表现出完美的双频带圆极化转换特性。然后,设计了基于双层90°旋转方形DSRR结构手征超材料双频带圆极化和单频带线极化转换器,在谐振频点能将入射的线极化波分别转换为左旋圆和右旋圆极化波以及交叉的线极化波。最后、设计了一种基于三层交错圆形DSRR结构手征超材料的宽频带线极化转换(偏转)器,通过仿真和实验进行了验证。其工作带宽得到了显著的展宽,实验得到的极化转换率在5.5-11.1GHz范围内超过90%,其对应的相对带宽达到67.5%。调控电磁损耗特性超材料吸波体研究为新型吸波材料宽频化设计奠定了理论基础,并为高性能轻质结构吸波材料的设计与实现开辟了一条新的路径。调控电磁传输与极化特性的手征性超材料研究为新型平面手征超材料的设计和应用提供了更为广阔的空间,并为新型宽频带极化转换器的设计提供了重要的理论指导意义。