近年来,随着人工电磁媒质的兴起,涌现出一大批基于超材料研发的功能器件,为太赫兹波段功能器件相对匮乏的窘境提供了新的思路和研究方法。目前,射电望远镜外差式阵列接收机的快速发展,使相位光栅技术的波束分离器在亚毫米波长范围内得到了重要的应用,它能够将单个本地振荡器源信号经过分束同步传送到超导SIS/HEB混频器阵列接收机中。由于太赫兹频段相位光栅的特征尺寸在亚微米级,其加工精度直接影响器件性能,给微加工技术带来巨大挑战。基于此,本文结合相位编码超材料技术设计了一种新型的太赫兹四波束分离器,仅需利用单层超材料编码单元便可实现电磁波束的分离,结构简单且易于加工,工作频率范围在0.85-1.45THz,可同时覆盖0.78-0.95THz和1.25-1.4THz两个天文观测窗口。论文的主要内容及研究成果如下:1、微波频段波束分离的研究。基于1bit编码超材料,研究了微波频段多波束分离的二进制超材料结构。通过调整金属贴片宽度w,实现了在8.3-11.9GHz宽频带内反射相位差约180°。运用此单元结构,进行编码序列阵面排布,用两种不同的编码序列实现了单波束、二波束、四波束的波束分离。初步研究了在30°、45°、60°入射角度下,编码超表面的波束分离特性,结果表明,入射角度越大,波束分离效果越差。最后对2bit以及更高阶比特数目的编码超材料结构做了讨论与分析。2、太赫兹频段波束分离器的研究。由微波到太赫兹频段进行拓展,实现了太赫兹频段两种分束方式的四波束分离器设计。根据太赫兹波段的特性,采用聚酰亚胺薄膜的人工单元作为编码超表面的基本单元,在0.85-1.45THz频段内两单元结构反射相位差约为180°。数值模拟研究了一维编码多波束、二维组合编码超表面的反射特性,确定四波束编码序列。根据阵列匹配需求,设计了两种分束方式(1×4和2×2)的波束分离器,1×4阵列波束分离器的频率可调范围达20%,2×2波束分离器的频率可调范围达52%,四个波束信号功率相差不超过10%,实现了宽带太赫兹波束的调控。深入研究了不同入射角度10°、20°、30°、40°下,编码超表面波束分离的远场图,确定最佳斜入射角度(小于30°)。3、太赫兹波束分离器的实验测试。将1×4太赫兹波束分离器的阵面结构进行20倍的周期扩大,进行实验测试。由于扩大后阵面整体编码序列发生了变化,四波束分离转化为五波束分离,当入射角度为20°时,两两波束之间的最大功率差值由理论仿真的30%增加到34%,相比于单个阵面最大功率差值不超过10%,功率分布的均一性变差,阵面扩大后的理论仿真与实验测试结果基本一致。