超材料作为一种具有奇特电磁响应的人工复合结构材料,在航空、航天、医疗和卫生等领域具有重要的应用前景。极化调控超材料通过控制超材料的电磁谐振特性实现电磁波极化特征调控,是当前超材料技术领域的研究热点之一。传统极化调控结构材料存在厚度大、极化状态模式单一以及对入射波的极化方式选择性较差等缺点,而极化调控超材料有望解决上述问题,成为高性能极化调控结构材料设计的一种全新的技术途径。针对传统极化调控材料研究存在的问题,本论文以电磁波在超材料中的电磁谐振特征为研究对象,紧密围绕超材料的极化调控特性开展一系列工作。通过对超材料的极化调控特性、非对称传输现象及其物理机制的系统研究,提出并验证了多种具有高效、多带、宽带极化调控效果的极化调控超材料结构物理模型,并针对线极化波的非对称传输特性分析方法;建立并完善了极化调控超材料的极化调制机制理论。基于上述理论,针对非对称传输物理现象,提出了极化调制型超材料的单向、选择性调控方法。本论文的主要研究内容和创新点如下:(1)构建了适用于极化调控超材料的等效电路模型。根据极化调控超材料中的电、磁响应特征,建立起联系等效电磁参数、结构参数与谐振频率之间关系等效电路模型,得出极化调控超材料反射波相位决定其极化形式的重要结论,为多频、宽带和多极化模式的极化调控超材料设计提供理论指导。(2)提出了一种基于非对称图案的完美双带反射型极化调控超材料。针对目前极化调控超材料多是基于对称图案设计实现的现状,利用非对称图案的多谐振设计,建立了一种基于多级干涉物理模型的分析方法,形成了电磁波极化状态与超材料阻抗特性之间的约束关系,实现了超材料的不同极化模式设计。(3)提出了一种具有窄带多频和选择性的非对称传输型极化调控超材料。针对目前传输型极化调控超材料对电磁波极化方式的调控较为单一的现状,通过双层互补单元结构的多谐振设计,基于局域的电磁耦合效应,实现了超材料的多频极化调控效果;利用其带阻和带通特性,满足了极化调控超材料对不同极化波具有选择性调控的需求,对选择性极化调控超材料在微波开关器件中的应用具有显著意义。(4)提出了一种具有宽带和选择性的非对称传输型极化调控超材料。基于传输线理论,分析了线性极化波具有非对称传输特性的约束条件;利用多级极化耦合的干涉效应和频率选择表面灵活的频选特性,创新性地实现了超材料对不同极化波具有宽带、选择性传输和转换的特性。这种极化调控方式能够将两束正交极化波分别在9.9~12.5 GHz和16.1~22.5 GHz频段内实现极化转换效率大于80.0%的转换。本论文的研究工作深入探讨了极化调控超材料结构的极化调控机制,形成了多级反射干涉物理模型及多谐振机理,发展和丰富了极化调制型超材料的理论研究体系,对高效、多带、宽带极化调控超材料设计具有重要的指导意义。