电磁波电场强度矢量的取向随着时间发生改变的现象称为电磁波的极化,光学领域这一现象通常被称为电磁偏振。在不同的仪器设备中,通过极化状态的转换来得到所需形式的极化波是非常有必要的。早期的极化控制主要通过液晶和结晶体的相位延迟和双折射效应,或采用多层光栅和铁氧体来实现,但基于这些方法设计的结构较为复杂、样品的加工难度较大,而且难以实现微型化和集成化,同时在性能方面也存在频带较窄、模式单一、极化选择性较差等缺点。人工电磁结构超材料不同于自然材料,它可以表现出许多自然材料所不具有的电磁性质。而基于人工超材料概念的极化转换结构,可以采用灵活的结构设计单元,实现对电磁波的相位和幅值的任意调控,有望突破传统极化调控结构的局限性。目前基于人工超材料概念的极化转换结构面临的主要问题包括频带范围较窄,机理比较单一,难以实现低频极化调控以及多极化状态的转换等。针对上述问题,本论文实现了不同性能极化人工结构的设计,并且对结构的极化性能及实现机理进行了系统的研究,讨论并深化了结构的性能调控机理,验证了具有双带、高效、宽带、多功能及低频极化性能的人工结构。此外,将极化转换人工结构与散射特性的研究相结合,提出了基于极化转换人工结构的散射控制的研究思路。本论文的主要研究内容和创新点如下:（1）人工电磁结构极化调控机理研究。针对目前极化机理研究较为单一的问题,在传输矩阵理论、等效阻抗理论以及等效电路理论的基础上,建立极化转换人工结构的极化带宽及谐振频点与结构的尺寸参数之间的关联性,构建基于极化结构的理论分析模型;根据极化调控人工结构传输/反射电磁波相位和幅值的特性,明确了极化宽带高效性能产生的机理,拓展极化调控宽带。并结合电磁谐振机理,突破极化调控低频设计的难题,为宽带、低频和多极化特性的极化转换人工结构的设计提供理论指导。（2）提出了针对不同极化性能的结构设计研究思路。针对目前极化研究频带范围较窄,难以实现低频极化调控的现状,设计并实现了具有双带、高效、宽带、低频的反射型极化人工结构。明确了斜入射角度和介质层厚度与极化性能的关联性,通过对称和反对称理论阐述了极化调控的谐振机理,通过对结构中束缚模式的研究实现了双频带的极化特性,该模式的存在使结构满足大角度下稳定的双带性能需求。基于传输矩阵理论和等效表面阻抗理论,建立了结构的等效阻抗和反射系数之间的关联,理论分析明确了谐振和高效宽带特性产生的原因,深化了多阶谐振的物理机制,为宽带性能的研究提供了一定的理论指导。针对目前极化结构难以在低频实现的困境,基于等效电路理论和电磁谐振机理,创新性的提出了基于NonFoster元件的低频极化结构设计,实现了低频极化性能需求,并构建了谐振频率与结构的尺寸参数之间的联系,为低频设计奠定了基础。（3）基于频选周期结构的设计思路,提出了一种同时具有反射和透射交叉极化特性的结构设计方法,研究了基于频选周期结构的多功能极化转化结构的电磁调控特性。通过对频选周期结构尺寸因数的调节,实现了对低频段和高频段的极化性能调控,并且结构能够在50°入射角范围内保持反射和传输转换性能的稳定性。基于双层缺陷PEC极化结构的设计,通过对结构的上下层缺陷尺寸参数的调节,使该结构能够实现选择性滤波的功能,利用结构之间的多级耦合和缺陷PEC对不同极化波的选择特性,满足了对不同极化电磁波的宽带选择性需求。（4）基于极化转换人工结构,开展了电磁散射控制方面的研究。首先,提出了基于极化转换人工结构的宽带低散射性能的棋盘型结构设计方案。利用相位相消原理,明确了极化转换人工结构实现RCS减缩的机制,通过对极化单元结构的转换效率与低散射性能的正相关性的研究,进一步提升了反射阵列的-10 d B减缩带宽,使得-10 d B减缩相对带宽达到96%以上,并且该阵列结构实现了在两种极化下斜入射性能的稳定性。其次,进一步拓展了极化结构的应用研究,提出了一种基于极化转换人工结构的轨道角动量产生和汇聚的设计方法。根据轨道角动量（OAM）和相位梯度的相关理论,实现了产生OAM的反射阵列的设计,利用极化结构的相位和幅值特性,有效降低了传统OAM设计所需满足的相位条件的难度。并且通过引入相位汇聚因子,实现了对OAM波束的有效汇聚,使波束的汇聚效果提升了50%以上,有效的改善了波束的传输效率问题。此外,通过对产生和汇聚OAM阵列结构的散射特性的研究发现,在垂直极化和水平极化下,两种结构可以同时实现低散射性能。综上所述,本论文针对极化转换人工结构的极化调控特性、极化机理以及基于极化结构的应用进行了深入的研究,探讨了宽带、双带、低频和多功能高效极化特性的形成机理,形成了以传输矩阵理论、等效阻抗理论和等效电路模型为主导的多谐振及低频特性研究机制,深化了极化研究的理论分析。而基于极化转换人工结构的电磁散射控制的研究中,对实现该类反射阵列的低散射特性的机理进行了分析,该类方法减小了反射阵列结构的设计难度,这些方法对极化特性及电磁散射控制的研究具有重要的指导意义。