本文围绕超材料透镜的宽带电磁波聚束问题展开研究,致力解决当前超材料透镜应用于光学传感系统以及高增益天线系统中的宽带问题以及高效设计问题,主要研究内容如下:1.在中红外波段提出了基于双曲超材料的多波束聚束模型。首先对双曲超材料的理论及实现方法进行了研究,然后利用石墨烯-二氧化硅层叠结构构成一维准晶体,实现人工构造双曲色散结构对电磁波进行调控,此模型可将全向波束转化为定向波束。经仿真结果表明,采用所设计的双曲超材料结构,可以实现中红外(31 THz-37 THz)频段的单波束以及多波束聚束特性。除此之外,还对影响电磁波聚束效果的石墨烯化学势大小,层叠数以及填充比等参数做了定量分析。研究表明合适的填充比以及层叠层数能够获得最佳的聚束效果,以及通过对石墨烯化学势能外加电压调整可以实现增益控制,另外也进一步探讨了加工工艺及其可实现性。2.在微波段基于遗传算法优化和3D打印技术设计超宽带全介质透射阵天线。首先对宽带透射阵进行了理论分析以及数值计算方法的研究,然后设计了基于高介电常数的全介质谐振单元,并对其特性进行了研究。研究表明该单元结构的相位补偿范围较大且透射系数较高。依据上述结果以及宽带透射阵表面特定的相位排布要求,以遗传算法作为优化手段,宽带相位特性为条件,解算满足透射阵列要求的各宽带单元,组成宽带透射阵列,继而将宽带喇叭馈源天线应用到透射阵列上,实现超宽频带的高增益天线。最终,通过3D打印射流熔融技术以聚酰胺12为材料对透射阵进行加工,并在微波暗室中进行测试。结果表明,在9-20 GHz的带宽内,增益均不小于16 d Bi,最大增益达到23 d Bi,频段内透射阵天线的增益相比于馈源提高了8-12 d B,并且1d B增益带宽达到29%。3.针对现有超透镜设计方法复杂及自动化程度低的问题,依据电磁逆散射问题的相关思想提出电磁逆算法应用于宽带超透镜一体化设计。分别分析了基于矩量法的逆算法在金属-介质型宽带超透镜中的应用,以及基于有限时域差分法的逆算法在优化全介质型超透镜中的应用。在此基础上初步探讨并实现了2D-FDTD逆算法实现全介质型超透镜单元,并且通过定义评估函数F、效果函数M以及天线评价函数Q量化评价标准,为一体化设计奠定了基础。为解决超材料透镜的宽带电磁波聚束及高效设计提供了新颖的解决思路和研究路径。