电磁超材料由于其特殊的性能和重要的应用前景,其相关研究受到广泛关注。电磁超材料的特异性能取决于微结构形式,因此建立具有特定功能的超材料微结构选择或设计方法十分必要。另一方面,利用电磁超材料的特殊性能,设计基于超材料的电磁器件(例如传感器、波传播调控器等)也具有重要的研究意义。基于以上需求,针对特定性能超材料微结构设计问题,本文建立了基于模糊数学的以已有超材料微结构为备选方案的微结构选择方法,以获得满足设计需求的左手超材料微结构;提出了基于拓扑优化的超材料微结构设计方法,开发了特定性能超材料微结构的设计工具,可用于解决准确满足幅值及频带需求的超材料微结构设计问题;研究了微带线型超材料的带隙特性及参数敏感性,提出了基于微带线型电磁超材料的介质厚度传感器的优化设计方法;研究了基于同轴电缆的电磁带隙应变传感器设计方法及模型;分析了梯度超材料对电磁波的调控方法及性能。具体研究内容和成果如下。1.基于模糊数学的贴片式左手超材料的选择方法。综合分析已有超材料微结构的特点,并进行分类整理,通过合理选择,以获得满足需求的微结构形式是实现特定性能超材料设计的有效方法。基于该思想,本文首先建立了基于模糊聚类分析与隶属度信息的贴片式左手超材料的选择方法。建立了已有左手超材料微结构非空集合,讨论了集合中微结构特性参数的隶属函数形式,以实现不同模糊目标及约束下个体隶属度的求解。建立了各隶属度与模糊优越度关系,确定了计算并排序各结构模糊优越度以找到适合于相应设计的微结构方案的选择机制。建立了不同拓扑形式的左手超材料构型集合和不同尺寸的“巾”型构型集合,通过对不同的目标和约束下模糊优越度的计算及排序,验证了通过所提方法可实现对较优个体的获取。2.满足特定幅值及频带需求的贴片型超材料微结构设计方法。对于特殊的功能需求,例如特定幅值或特定工作频带,筛选已有构型或对其尺寸优化无法获得准确满足需求的超材料微结构。为此研究了基于拓扑优化的特定功能贴片型超材料微结构设计方法。建立了满足特定幅值或频带需求的超材料微结构拓扑优化模型,提出了贴片覆盖范围大于网格尺寸的贴片分布策略以解决棋盘格问题。详细介绍了四种典型的特定需求超材料微结构优化模型,所提需求包括:特定频点具有特定负磁导率、特定频点具有特定负介电常数及负磁导率、特定负磁导率频带、特定左手频带。通过大量算例验证了所提方法的可行性及鲁棒性。基于所提方法开发了具有特定功能的超材料微结构设计工具。3.微带线型超材料带隙及参数敏感性研究。微带线型超材料对外部介质表现出不同的带隙响应,确定超材料带隙特性及响应敏感性有利于新型传感器的提出及传感性能的优化。基于以上考虑,研究了基于微带线的互补型开口单谐振环CSSRR(Complementary single split ring resonator)带隙特性及对不同参数外部介质的响应敏感性。分析了两种极化激励下CSSRR带隙特性及对不同厚度或不同介电常数介质的传感特性,分析了超材料不同区域对介质的响应灵敏度。以有无空气夹层时频移量的偏差为监测对象,提出了平面介质层间空气夹层高度的检测方法。通过仿真及实验,测试并验证了微带线型超材料带隙特性及传感敏感性。4.基于微带线型超材料的介质厚度传感器设计优化。目前基于微带线型超材料传感器的已有工作主要集中在超材料传感器应用领域的扩展上,如何优化微结构以提高传感性能的工作很少。本文研究建立针对不同目标的基于微带线型超材料的介质厚度传感器尺寸优化和拓扑优化方法。对传感器上CSSRR进行尺寸优化以实现高灵敏度,设计了基于U型超材料微结构的介质厚度传感器。为实现传感器小型化,设计了极值频率远小于互补型开口谐振环CSRR(Complementary split ring resonator)的双螺旋形超材料微结构。提出了针对不同设计目标的超材料微结构拓扑优化方法,优化目标包括特定极值频率、最大品质因数、最高灵敏度,仿真及实验结果表明,基于优化微结构的厚度传感器相关特性较基于CSRR或CSSRR的传感器有显著提升。5.基于同轴电缆的电磁带隙超材料应变传感器设计。为解决已有基于布拉格栅型应变传感器易碎、强度低、易腐蚀、双峰分离等缺陷,提出了基于同轴电缆的电磁带隙超材料应变传感器。分析了周期性的阻抗不连续与带隙特性的相关性,设计了基于同轴阻抗不连续的电磁带隙超材料结构,给出了其参数设计方法及带隙的理论计算方法。提出了截面不连续和介质不连续两种同轴电磁带隙传感器实现形式,讨论了灵敏度和品质因数的调整方式及缺陷的影响,数值仿真及实验验证了其带隙及传感特性。6.基于梯度超材料的电磁波调控方法及特异性能研究。为充分发掘超材料的特异性质及不同的空间分布产生的电磁波调控能力,提出了梯度超材料的电磁波传播方向及相位的控制特性。基于梯度超材料可实现传播波与表面波相互转换的原理,设计梯度超材料的宏观分布,以削减斜射波垂向分量,发现了梯度超材料对波传播方向的调整特性。在此基础上,实现了梯度超材料对散射介质引起的波导端口出射波方向及垂向相位差的调整,依据同样原理可消除波导形变引起的波绕射或散射产生的出射波垂向相位差。