作为一种新颖的电磁隐身技术,近年来超常媒质隐身的相关机理成为了国际电磁学领域的研究热点之一。而作为超常媒质隐身技术的一个重要分支,基于光学变换(Optical Transformation)的超常媒质隐身技术由于在理论上能够实现零散射的完美隐身,因此更加成为了重点研究对象。通过建立虚拟空间与物理空间的几何映射关系,基于光学变换的超常媒质隐身罩能够实现对电磁波传播方向的人工调控,进而使入射电磁波在隐身罩的内部被平滑地弯曲、绕过内部物体,从而实现真正意义上的电磁波隐身。因此可以预见,将光学变换理论与超常媒质应用相结合,电磁波的人工调控必将在隐身技术、雷达系统及相应的微波器件设计中发挥巨大的作用。　　基于光学变换的超常媒质隐身技术一经提出,立即受到了世界范围内科学家的广泛关注。虽然国内外对该种隐身技术研究的发展十分迅速,但作为一种新兴的基于电磁波调控机制的隐身技术,基于光学变换的超常媒质隐身技术在很多方面的研究并不十分完善,仍有很多基本理论、实践问题亟待解决。其中突出问题在于现有研究大多集中在二维规则几何体上,而针对二维非对称复杂几何体及三维几何体隐身罩的研究则鲜有报道,且针对损耗对隐身罩电磁特性的影响缺乏系统性的研究。基于此,作者遵循“以超常媒质隐身罩电磁场的解析解为基础,采用光学变换方法分别求解二维复杂结构及三维空间中超常媒质隐身罩的本构参数,进而探索实际损耗对其电磁特性的影响规律,同时将光学变换方法的理论应用于新型微波器件设计实践中”的研究思路撰写了本论文,旨在为基于光学变换的超常媒质隐身技术及新型微波器件的设计奠定理论基础。　　首先,本文从解析角度对超常媒质隐身罩覆盖金属/介质圆柱体两类经典结构模型进行了研究。由于超常媒质隐身罩的本构参数张量在宏观上表现为非均匀各向异性,其表现形式为二阶张量,因此本文首先在圆柱坐标系下推导出超常媒质隐身罩中的波动方程,通过求解获得了超常媒质隐身罩中电磁场解析解的通解表达式。在平面波和柱面波两种典型入射波情况下,针对金属和介质两种不同材料的圆柱体,分别代入边界条件对未知展开系数进行求解,求得相应的全空间中电磁场解析解完整表达式,从而通过解析方法严格证明了圆柱隐身罩的零散射特性。为验证解析解的正确性,将解析解计算得到的结果,与基于有限元算法(FEM)的电磁仿真软件的仿真实验结果进行对比,二者结果完全一致。在此基础上通过大量的仿真实验,深刻揭示了损耗因素对超常媒质圆柱隐身罩电磁特性的影响规律。　　其次,本文首次提出了分块光学变换方法,详细论述了二维复杂结构隐身罩参数设计问题,并严格推导出二维正 N边形结构超常媒质隐身罩本构参数的通解表达式,利用电磁仿真软件仿真实现了实验验证。通过对问题复杂性的进一步推广研究,求解出二维任意多边形超常媒质隐身罩本构参数的通解表达式。研究结果表明,光学变换方法不仅适用于规则及对称结构的二维隐身罩设计,而且对于不规则、非对称结构的二维隐身罩,以及带有尖锐棱角的部分,光学变换方法同样能够实现对电磁波的有效人工调控。另外,本文针对圆柱隐身罩,提出了一种基于近似边界条件的参数简化方法,并对不同近似阶数下的隐身效果进行了研究。　　第三,本文将超常媒质隐身罩的研究扩展到三维空间,针对任意轴比椭球和任意形状棱锥两种典型的三维结构超常媒质隐身罩进行了研究。严格推导出这两种三维隐身罩本构参数的通解表达式,进而利用电磁仿真软件对其进行了二维及三维结构上的仿真实验验证,证实了推导得到的本构参数张量通解的正确性,并给出损耗对于三维超常媒质隐身罩电磁特性的影响规律。　　第四,本文对内外边界非共形隐身罩进行了研究。本文建立了极坐标下非共形变换的普适模型,采用解析方法严格推导出内外边界非共形隐身罩本构参数的通解表达式,进而选取两个典型算例,对其进行了电磁仿真实验,得出损耗对于非共形隐身罩电磁特性的影响规律;最后,讨论了几种典型非共形变换下,内外边界函数的选择对于非共形超常媒质隐身罩本构参数各分量值域的影响。　　最后,本文将电磁波人工调控的概念应用于新型微波器件设计中,基于光学变换方法设计得到三种新型微波器件。首先,针对不同截面口径、不同位置波导间的电磁波传输,设计出一种波导变换连接器,利用该连接器可以实现异形截面波导间电磁波的无反射传输,并基于等效媒质理论对该连接器进行实物加工及测试;其次,在综合考虑损耗、参数扰动等因素的基础上,提出了一种简化参数的电磁聚能器,该聚能器能够将空间电磁能量集中在指定区域中,从而极大程度上增强局部区域电磁能量,且本构参数张量较易实现;第三,将隐身罩的概念一般化,设计出一种电磁变形罩,加载该变形罩的物体,在罩外空间中任意一点看来,其散射场可以与另外一个物体的散射场相同,得到了可应用于虚假目标欺骗干扰的隐身罩结构。　　本文从普适角度,提出并研究了几种典型的二维非对称复杂结构及三维结构超常媒质隐身罩,揭示了损耗对隐身罩电磁特性影响的一些规律性结论,同时完成了三种新型微波器件的设计和及实验验证。本文研究结果在为超常媒质隐身罩及新型微波器件的设计及改进奠定理论基础的同时,也丰富了人们对电磁波人工调控机制的进一步理解,推动了基于光学变换的超常媒质隐身技术及新型微波器件向实际通信系统应用的转化,对超常媒质相关研究的发展提供了强有力的理论基础。