人工电磁材料是近年来电磁学中的一个研究热点。它由尺寸远小于入射波波长的人工单元周期排列而成,能够等效为宏观的电磁材料。因其能够实现任意的介电常数和磁导率而引起了国内外研究人员的广泛关注。具有宽带特性的人工电磁材料在很大程度上能够拓展其在微波元器件或系统中应用的范围。而低轮廓、易共形的人工电磁表面以其灵活多变的电磁波操控能力为隐身平台的设计提供了新的思路。在此背景下,本文主要围绕具有宽带特性的人工电磁表面以及人工电磁表面在隐身技术中的应用进行了系统地研究。本论文的主要研究内容如下:1、探索了人工电磁材料实现负介电常数和负磁导率特性的工作原理。根据电动力学的相关理论,推导了无限长金属线阵列和开口谐振环阵列这两种人工电磁材料等效本构参数的解析计算公式,讨论了结构参数对等效本构参数的影响。针对具有复杂结构的人工电磁材料,研究了提取其等效本构参数的NRW算法,并通过计算F4B介质块的本构参数和无限长金属线阵列的等效相对介电常数,验证了该算法的有效性。2、设计了多款具有宽带特性的人工电磁表面。利用多谐振技术,分别设计了相对带宽超过30%的风扇结构和相对带宽超过50%的圆盘结构宽带负磁导率人工电磁表面。分析了两者实现负磁导率特性的工作原理,建立了各结构的等效电路模型。提出了用于解释风扇结构宽带工作特性的等效投影分析方法,以及用于解释圆盘结构宽带工作特性的无限剖分分析方法。推导了各结构等效磁谐振频率和电谐振频率的计算公式,讨论了风扇结构和圆盘结构的电磁响应特性随结构参数变化的规律。在此基础上,设计了等效相对磁导率与相对介电常数同时为负、相对带宽超过20%的互联圆盘结构人工电磁表面。分析了该结构的电磁响应特性,推导了该结构电等离子体频率的计算公式,并讨论了电等离子频率随结构参数变化的规律。3、将人工电磁表面用于隐身平台的设计,设计了具有低轮廓特性的人工电磁材料吸波表面结构。首先介绍了人工电磁材料吸波表面的几种常见结构,分析了人工电磁材料吸波表面实现吸收特性的物理机制,建立了用于定性分析的等效LC电路模型和用于准定量分析的等效谐振腔模型,推导了各模型对应的吸收峰频率的计算公式。在此基础上,将人工电磁材料吸波表面贴片层和均匀介质基板分别等效为集总参数电路和微波传输线,提出了可以实现精确定量分析结构吸收特性的等效传输线模型,推导了人工电磁材料吸波表面吸收率的精确计算公式。最后,针对传统穷举设计方法效率低下的不足,将插值方法引入人工电磁材料吸波表面结构的设计中,提出了一种半解析半数值的吸波表面快速设计方法,较穷举设计方法有显著提速。进一步,利用该算法设计了圆盘开槽结构人工电磁材料吸波表面。4、探索新的雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)减缩原理,提出了低RCS随机人工电磁表面的设想。通过将入射波能量均匀地漫散射,使各个方向上的散射场能量密度趋于一致,显著降低了来自单基地和多基地雷达系统的威胁。根据阵列天线理论,建立了随机人工电磁表面的等效模型,推导了其阵因子的理论计算公式,研究了结构参数对阵因子的影响。在此基础上,设计了最大后向RCS减缩量为19dB的随机人工电磁表面。进一步,优化并设计了最大后向RCS减缩量为25dB的人工电磁表面。通过交错排列工作在不同频率上的子阵列,设计、加工并测试了对极化和入射角均不敏感的宽带低RCS随机人工电磁表面。仿真和样品实测结果表明,该结构的10dB的后向RCS减缩频带为7GHz~12GHz(相对带宽为52.63%),最大后向RCS减缩超过28dB。5、研究了具有异常散射特性的棋盘结构,并将其用于RCS减缩。分析了传统棋盘结构的工作原理,讨论了结构参数对阵因子以及RCS减缩特性的影响。针对传统棋盘结构易被双基地雷达系统发现的不足,提出了随机棋盘结构人工电磁表面,推导了阵因子的理论计算公式,讨论了结构参数对RCS减缩特性的影响。设计,分析并加工测试了最大后向RCS减缩量为21dB的随机棋盘结构。通过引入宽带单元和AMC子阵,设计并加工测试了10dB的后向RCS减缩频带为10.46GHz~19.36GHz(相对带宽为59.69%)低RCS随机棋盘结构。结果表明,该结构最大后向RCS减缩超过20dB,对入射波的极化和入射角均不敏感,可以有效抑制结构的镜面反射。