电磁超材料也称超材料,其作为一种新型人工电磁材料,具有独特的电磁特性。超材料可以有效地调控电磁波的损耗、传输以及极化状态等特性,实现例如负折射、完美吸波、完美透镜、无线能量传输等传统材料不能或难以实现的一系列超常功能。但是一种超材料往往只能实现一种功能,随着现代集成系统的迅速发展,单一功能的超材料器件越来越不能满足系统集成的需要,而使用超材料实现多功能仍是一个挑战。本文首先对超材料的定义、基本性质以及发展与应用等进行了综述,并对多功能超材料的研究现状进行了详细的讨论。着重叙述了多功能超材料的分析理论,包括吸波原理、等效介质理论、极化调控理论等。论文重点研究基于超材料的多功能微波器件的设计,设计并制作了一款锯齿状吸波器和宽频带极化转换器以及一款半反射半透射交叉极化转换器。锯齿状吸波器和宽频带极化转换器由具有相同单元结构的平面超材料沿中线折叠而成。它与平面结构相比具有更好的吸波和极化转换性能,可以在微波的不同频率内实现多次吸收,宽带交叉极化转换,圆极化转换,而且还表现出宽带线-圆以及圆-线极化转换。结果表明,所提出的设计在4.48GHz、10.54GHz 和 21.02GHz 的吸收率分别为 94.76%、97.90%和 99.60%。在 14.43GHz-20.32GHz能够很好的实现交叉极化转换和圆极化转换。类似地,在10.98GHz-13.96GHz取得了优秀的宽带线-圆和圆-线极化转换效果。半反射半透射交叉极化转换器由纺锤形的金属上表面和类似梯度光栅的金属底部组成,能够实现半反射半透射交叉极化转换以及超宽带透射交叉极化转换。仿真和实验结果表明,超材料能够在12.51GHz-13.67GHz实现半反射半透射交叉极化转换,以及在2.58GHz-14.85GHz的超宽带范围内实现透射交叉极化转换。该极化转换器具有一般反射极化转换器、透射极化转换器和半镜的组合特征。本文设计和研究的超材料微波器件具有设计制作简单、多功能集成等优点,相较于之前的多功能超材料具有更宽的工作带宽。本文对超材料的多功能集成做出了启发性的探索,有利于光电系统的小型化和集成化,在天线、成像系统、远程传感器和辐射计等方面有着潜在的应用价值。