最近几年中，超材料一直都是电磁学中被关注的热点话题之一。它是由常规电磁材料组成的人工复合结构，一般要满足特定的排列方式，比如周期或非周期、单层或多层等等。最终的目标是实现自然界尚未发现或普通材料难以实现的“奇异”电磁特性。随着研究的深入，其已不仅仅是一种材料形态，更是发展成了一个崭新的研究理念，为经典电磁理论开辟了更为广阔的研究空间。人们可以通过改变超材料的基本单元形式和空间排列方式来获得具有特殊属性的电磁媒质，进而设计出各种高性能微波、毫米波、太赫兹波器件和系统。本文的研究，就是在深刻理解超材料电磁特性的基础上，以超材料的工程应用为导向，以超材料在天线设计、电磁波极化变换和散射特性调控方向的应用为切入点，对超材料的一些基础理论和关键技术开展系统研究，从而为其深入发展和普遍应用提供理论探索和实践参考。文章的主要工作如下：　　1. 研究了各向异性超材料的极化变换理论及电磁波散射的基本理论。在研究自然界天然各向异性媒质概念和极化变换原理的基础上，重点研究了电磁波通过各向异性超材料时产生极化变换的条件。总结了各向异性超材料的分析方法，分析并验证了其等效本构参数（包括等效介电常数、磁导率、折射率和特性阻抗等）的提取方法。此外，还从雷达方程出发，研究、分析了雷达散射截面的基本概念、主要特点和表示方法。　　2. 利用互补开口谐振环的“单负”特性，展宽天线阻抗带宽。通过分析开口谐振环、互补开口谐振环和加载互补开口谐振环微带传输线的等效电路，研究了它们特殊的谐振性能和“单负”性能。总结了集成巴伦印刷偶极子天线的工作原理和设计方法，然后将互补开口谐振环加载于印刷偶极子天线的馈点处，设计了一款的宽带、双极化印刷振子天线。测试结果表明该天线在1.02GHz~2.03GHz的频带内回波损耗小于10dB，相对带宽约为一倍频程。互补开口谐振环的阻带特性相当于一个负介电常数带阻滤波器，抑制了天线在2GHz左右的高阶谐振，进而改善了天线低频段阻抗特性，使天线的阻抗带宽提升了10%以上。　　3. 采用超材料引向结构，提高天线的增益。首先借鉴“随机超表面”的思路，提出了“超宽带非谐振引向振子”的概念，并将其加载于双极化印刷振子天线的前端，从而使天线增益最大提高了 3.7dB。其次在双极化印刷振子前端加载了开口谐振环阵列，其在天线端射方向形成特殊谐振功能的引向器，使增益最大提高了4.11dB。两种方法中，天线阻抗带宽均达到70%左右，且第二种设计中天线的高度比第一种减小了12%。　　4. 利用各向异性超材料的极化变换特性，对电磁波的极化状态进行调控。首先，采用周期性金属折线形超材料结构，设计了一款工作于X波段的透射型线-圆极化转换器，其可以作为天线罩加载于喇叭天线之前实现圆极化辐射。测试结果显示，该设计在7%的带宽范围内实现了回波损耗小于10dB，轴比小于3dB，且天线罩对天线的方向图特性基本没有影响。然后采用各向异性超材料设计了一种反射型宽带极化旋转器，即利用多阶谐振的思路来展宽极化旋转的频带宽度，最终在29.3%的频带内实现了极化转化率大于90%。研究还发现该设计具有宽入射角特性，即当入射增至±50°时，其转化效仍然大于60%。　　5. 利用“编码超材料”的思路，对电磁波的散射特性进行调控。根据相位相消的原理设计了一款基于超材料极化转换结构的低雷达散射截面反射平面。相比于同样面积的理想导体平面，本设计在7.85GHz~10.35GHz的频带内雷达散射截面减缩大于10dB，而且其对不同极化的入射波在较宽的角域内都有良好的雷达散射截面减缩效果。