频选电磁结构是一类采用金属或非金属作基材构成具有特定电磁响应特性的结构,其能有效调控入射电磁波的幅度、相位、极化等特性参数,实现辐射电磁波或反射、透射、吸收入射电磁波等功能。频选电磁结构常由小于工作频段内电磁波波长的微观单元结构周期或非周期性组阵构成。频选电磁结构可分类为天线及其阵列、频率选择表面、电磁超材料/超表面等主要类型,现均已广泛应用在无线/卫星通信、雷达、导航等现代光电信息系统之中。基于金属或介电材料设计构成的谐振型频选电磁结构具有构造方式灵活、工艺简单等优势,在天线、频率选择表面、电磁超材料/超表面等技术领域得到了广泛研究与应用。然而,受限于谐振型频选电磁结构的固有谐振特性,其频选带宽窄;且传统无源频选电磁结构尺寸大,无法突破工作带宽与单元结构尺寸之间的固有理论极限-Rozanov极限。本论文针对上述现有频选电磁结构存在工作带宽窄、尺寸大等关键科学问题,对电磁波辐射式频选电磁结构(天线)、电磁波吸收式频选电磁结构(电磁超材料/超表面)的工作带宽扩展方法、剖面尺寸缩小技术进行了系统研究,在深入分析研究决定频选电磁结构带宽、尺寸的机制基础上,提出了拓宽其工作带宽的新思想,发展出突破Rozanov极限的超宽带频选电磁结构的设计方法。本论文的主要研究工作及创新贡献如下:1.在研究影响半波长为周期的微带阵列天线工作带宽的决定性因素和机理基础上,提出了基于基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line,SICL)顺序旋转馈电的宽带高增益圆极化阵列天线设计方法,其天线单元采用一级顺序旋转四馈电式空气介质加载型方形贴片结构,并运用第二级顺序旋转馈电技术构成2×2阵列天线,提升了阵列天线的圆极化辐射增益、展宽了圆极化轴比带宽。设计出超高频段(Ultra High Frequency,UHF)SICL顺序旋转馈电式宽带高增益圆极化天线单元及阵列结构,性能测试结果表明2×2圆极化阵列天线在828–994 MHz工作频段内辐射增益高于10 dBic、峰值增益达到12.5 dBic。为进一步拓宽圆极化天线带宽,提出了微带线顺序旋转馈电与Γ型探针耦合馈电相结合的宽带高增益2×2圆极化阵列天线设计方法,天线单元采用了顺序旋转四馈电式空气介质加载型十字缝隙方形贴片结构,性能测试结果表明2×2圆极化阵列天线在823–1100 MHz工作频段内(相对工作带宽28.8%)的辐射增益高于8 dBic、峰值增益达到12.8dBic。研制的宽带高增益超高频圆极化阵列天线已广泛用于UHF射频识别系统。2.在研究亚波长结构为单元的反射型电磁超表面中谐振特性及工作带宽有限的机理基础上,提出了空气加载宽带超表面式高效电磁波辐射与接收结构的设计方法,其超表面单元采用介电常数低、损耗小的空气作为介质基体,展宽了超表面结构的工作带宽,降低了介质基体对电磁能量辐射及收集效率的影响。研究了空气加载超表面单元及其阵列的电磁波辐射/接收特性,研制出高效S波段空气加载宽带超表面电磁波能量收集结构,性能测试得到8×8超表面结构在2.28–2.73GHz频段内(相对工作带宽为18%)的电磁波能量收集效率高于55%、峰值效率达到84.4%,其可广泛应用于无线能量收集系统。3.以深亚波长结构为单元的电磁吸波频选结构为对象,分析研究了传统吸波结构工作带宽与其单元尺寸、厚度之间的理论极限(Rozanov极限)及影响带宽的决定因素,提出了Non-Foster器件加载磁性基材超薄超宽带吸波体设计方法。运用Non-Foster器件产生的负电感特性抵消掉传统反射型电磁吸波结构中因超薄介质基体引入的正电感特性,实现超宽带阻抗匹配;采用具有宽带吸波特性的磁性材料作为介质基体,构成两层复合型频率选择结构,实现了带宽比36:1的超宽带高效吸波;设计研制出0.5–18 GHz超宽带电磁吸波结构,其总厚度9.153 mm(λ_L/65),显著地突破了Rozanov极限值,并在0.5–18 GHz带宽内电磁波吸波率高于80%。本论文研究突破了电磁超材料/超表面等频选电磁结构的工作带宽限制,发展出宽带高增益圆极化天线及阵列、空气加载高效宽带电磁波能量辐射/收集超表面、Non-Foster器件加载磁性基材超薄超宽带吸波体的设计方法,这些研究成果有益于推动宽带频选电磁结构技术发展及其在电磁辐射特性控制、电磁兼容、电磁隐身等领域的广泛应用。