电磁超材料具有单一自然材料不可能具有的超常电磁特性。研究超材料的电响应和磁响应特性,设计新型超材料结构,丰富和拓展了超材料理论分析方法,进一步推进超材料在军事隐身、集成光电器件、无线电能传输等领域的应用研究。采用理论分析、电磁仿真和实验验证三者相结合,提出了超材料吸波体和用于无线电能传输系统的负磁超材料设计方案,并进行相关应用的探索研究。全文主要内容和创新点包括以下几个方面:(1)基于工字型十字交叉结构的金属谐振环,设计了三频带超材料吸波体。首先采用工字型十字交叉圆环结构构建单频带超材料吸波体,利用仿真进行优化分析。基于完美阻抗匹配理论,将三种相同形状不同尺寸的金属谐振环集成在一个单元结构中,依次设计出三频带吸波体。基于多反射干涉理论对设计吸波体进行定量分析,揭示了吸波体内在物理吸收机制。结果表明该结构的超材料在9.85GHz、13.05GHz、14.93GHz三个频点处均具有99%以上的吸收率。(2)基于开口双圆环结构,设计了集总电阻元件加载的宽频带超材料吸波体。基于集总元件增强电磁损耗的原理,提出了一种双圆谐振环集总电阻加载的宽频带超材料吸波体,通过单元结构表面电流、能量损耗分布等的仿真分析,直观地展示了超材料电磁波吸收特性,定性分析其吸收机理。同时也建立了该结构的等效电路模型,对比分析定性理解吸波体电磁波吸收机制。仿真探究了宽频带吸波体的极化吸收特性和斜入射条件下的吸收特性。仿真和实验结果表明,吸波体在8.87-16.47GHz范围内吸收率大于90%的相对带宽达到60%。(3)电阻膜型高阻抗表面宽频带超材料吸波体设计。设计了一种基于正八边形环状结构的电阻膜型超材料吸波体,通过等效电磁参数反演说明了超材料吸波体和自由空间的完美阻抗匹配特性,吸波结构表面电磁场和能量损耗分布直观地、定性地解释了其宽频吸收机理。通过电磁仿真表征了超材料吸波体的极化和宽角度吸收特性,结果表明该结构具有极化不敏感特性,在斜入射条件下仍能保持较高的吸收率。基于多反射干涉理论定量解释了宽频吸波体的物理吸收机制,这是国内外报道中首次利用多反射干涉理论解释宽频带超材料吸波体,拓展了多反射干涉理论的应用范围。实验测试表明,吸波体在3.65-13.93GHz范围内吸收率大于90%的相对带宽达到117%。(4)基于负磁超材料的无线电能传输系统设计。设计了一种基于开口谐振环加载集总电容的负磁超材料。该结构在谐振频点16.30MHz等效磁导率值为-1,负磁导率超材料能够放大倏逝波、“聚焦”电磁场,理论上可以提升磁谐振式无线电能传输系统的传输效率,通过电磁仿真表征了加载超材料前后空间磁场分布特性,结果显示超材料可以有效提升无线电能传输系统接收端线圈的耦合磁通密度;搭建了一套16.30MHz的无线电能传输实验装置,采用矢量网络分析仪进行系统传输性能测试,实验测试加载一块和两块超材料的无线电能传输系统传输效率最高可分别提升10%和17%。依此进一步优化负磁超材料结构,设计了一种基于平面方形螺旋结构加载集总电容的负磁超材料,通过理论分析、电磁仿真和实验验证,该结构的负磁超材料在13.56MHz附近等效磁导率为负值;搭建了一套13.56MHz的无线电能传输实验装置,采用矢量网络分析仪进行测试,在30cm传输距离下,加载超材料后的无线电能传输效率提升达到41.7%。采用灯泡负载对系统电效率进行表征,灯泡负载的亮度也直观地证明了负磁超材料对提升无线电能传输系统效率的有效性。超材料吸波体设计为新型吸波材料宽频化设计奠定了理论基础,首次将多反射干涉理论应用在宽频带吸波体中并成功解释了其宽频吸收的物理机制,设计的各类吸波体结构为高性能吸波材料的设计与实现开辟了一条新的技术途径。从人工调控电磁场(波)的角度出发,将超材料设计和无线电能传输技术有机结合起来,验证了负磁超材料具有大幅度提升无线电能传输效率的重要作用,对解决无线电能传输技术传输效率和电磁兼容等瓶颈问题具有重要的理论指导意义。