无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）是车联网的核心,包括传感和通信单元。传感单元负责感知信息,通信单元负责传输和接收传感信息。随着车联网对WSN的性能要求的进一步提升,发展具备优异性能的传感器件和通信器件具有重要意义。WSN中复杂的应用场景和有限的安装空间,对传感器件的性能提出了更高的要求。波导传感器结构紧凑且易于集成,并且基于共振效应的波导传感器具有更高的灵敏度和测量精度。但传统共振机制存在限制传感性能进一步提升的问题,因此,需要寻找新的机制,研究该机制在传感中的应用。另一方面,电磁波以特定的极化形式收发,才能实现电磁信号的高效率传输。采用天线罩（覆层）对电磁信号进行极化转换是解决天线极化形式单一问题的有效方式,另外,实现宽带通信是兼容大量通信设备的必要需求。因此,需要研究具备大工作带宽的高效率极化转换器件。超材料是近年来兴起并快速发展的一种新型材料,通过合理设计亚波长微结构,可以实现自然材料所不具备的新颖特性,在电磁领域有重要应用。连续域束缚态（Bound State in the Continuum,BIC）机制可以实现强共振响应,且对特定物理量的变化较为敏感,有助于传感性能的提升,本文借助掺杂零折射率（Zero-Index Material,ZIM）超材料在波导系统中构造BIC,并基于该系统研究其敏感特性及多共振特性。超表面（平面超材料）具有厚度薄的特点,而且单一结构可以具有多个共振模式,有利于大工作宽带的实现,本文研究超表面单胞结构的设计方法,并设计相应的宽带极化转换器。本文主要研究内容和成果如下:（1）掺杂零折射率材料波导中的连续域束缚态现象研究。通过在含有ZIM的波导中引入杂质,在波导系统构造BIC。以典型圆形杂质为例,通过考虑杂质的高阶共振模式,建立了掺杂ZIM波导系统的理论模型,利用基于有限元方法的全波数值仿真软件验证了模型的有效性;根据建立的理论模型,计算了波导系统的反射率、本征频率和品质因数随ZIM材料参数变化关系,结果显示,该系统中存在BIC现象;理论模型给出了该系统BIC的判断条件,基于该条件可以判断特定频率下是否存在BIC,利用该条件,对不同系统参数下的BIC进行了详细讨论。（2）基于连续域束缚态的波导系统敏感信息分析及多共振特性研究。理想BIC条件往往不能达到,通常体现为具备高品质因数的准BIC共振。为讨论所研究的波导系统在传感中的潜在应用,首先讨论几种典型形状杂质情况的BIC,将圆形杂质情况波导系统BIC推广至其它形状杂质情况。根据BIC的实现条件,得到了共振频率的敏感参数;并进一步分析了共振随敏感参数的变化关系,验证了所研究的波导系统具有应用于传感器设计的潜力,且具有较高的传感器品质因数。提出一种在波导系统中实现多个高品质因数共振的有效方式,建立了含多杂质ZIM波导系统的理论模型,详细分析了系统的多共振特性,研究了多杂质情况杂质参数对系统共振的影响规律。（3）基于拓扑和形状优化的超宽带极化转换超表面设计方法。考虑到金属结构的电磁性能一方面与整体结构构型有关,另一方面与结构的局部形状有关,当考虑计算成本时,由于无法无限制的对离散网格进行加密,单纯进行拓扑优化设计的结构往往难以达到最优性能,针对此问题,提出拓扑与形状优化相结合的金属结构设计方法。该方法首先通过拓扑优化方法获得概念构型,进一步通过提取边界、设置控制点、拟合边界等手段,重新建立拓扑构型的近似模型,最后通过对控制点位置坐标的调整,实现形状优化。以蝶形天线为设计算例,设计结果表明,相比只进行拓扑优化,所提出的设计方法设计结果在目标工作频率具有更低的反射系数,验证了所提出设计方法的可行性和有效性。进一步,结合极化转换超表面结构的特点,将拓扑结合形状优化的设计方法应用于超宽带极化转换超表面设计,与单纯拓扑优化结果相比,设计的极化转换超表面具有更大的极化转换工作带宽,显示出所提出设计方法的优异性。（4）基于典型各向异性结构的宽带极化转换超表面设计。为实现超宽带极化转换,首先数值讨论了典型亚波长各向异性结构的极化转换性能,分析了结构尺寸,基底厚度,材料参数等对极化转换性能的影响规律;基于典型各向异性结构的分析结果,针对极化转换器件的低剖面需求,通过典型各向异性结构的合理组合,设计了高效超薄超宽带极化转换超表面,分析了所设计超表面宽带极化转换原理,揭示了几何参数对极化转换性能的影响规律,阐明了宽带极化转换的物理机制,实验验证了所提出的新设计具备高效超宽带极化转换性能;针对单层设计难以实现超宽带极化转换的问题,通过对典型各向异性结构的变形,提出基于弯折线的超宽带极化转换超表面设计,揭示了弯折线参数对极化转换性能的影响规律,阐明了宽带极化转换的物理机制,实验验证了所提出的基于弯折线的设计具备超宽带极化转换性能。