极化是平面电磁波的一个基本特征,其携带着电磁波的有关微观各向异性、手性特征和自旋取向等信息,当电磁波与物质交互作用时,它起着核心地位的作用。因此,极化控制技术在无线通信和光学系统中具有广阔的应用前景,并成为了微波、太赫兹、以及光学频段中热门的研究课题。本文在极化旋转、极化转换、以及极化选择等极化控制方面开展了深入的研究,主要创新性工作可以概括如下:1.高效宽带的极化旋转器:详细分析了基片集成波导(Substrate integrated waveguide,SIW)谐振腔的可能工作模式。基于基模TM110的模式分布,通过在SIW腔的前后金属面中心蚀刻两条扭曲的缝隙实现了任意0到45°的极化旋转。随后采用级联方式,在两层SIW腔的三个金属面上蚀刻三条扭曲的缝隙(扭曲角度为45°)获得常用的90°极化旋转器。通过实物测试及与典型的极化旋转器的对比,验证了所提出的90°极化旋转器具有低损耗、高交叉传输率以及宽工作频带特性。2.对入射波极化方向免疫的线极化器:传统的线极化器通常遵循着马吕斯定律,这表明出射场强度严重依赖于极化器传输主轴与入射波极化方向之间的夹角。对于90°的特殊夹角,将没有任何的能量可以透过该线极化器。为了克服这个缺陷,本文基于SIW腔提出了一线极化器,它可以将任意方向的线极化入射波转换为特定极化方向的出射波,且具有恒定的传输系数。通过实物测试证明了提出的线极化器具有稳定的50%的透射率和超过45 dB的极化消光比,且对入射波的极化方向免疫。因此,提出的线极化器促进了新型极化选择结构的发展。3.两种类型的线到圆极化转换器:针对转换效率,结构厚度,和工作带宽等方面的性能提出了(1)基于缝隙型频率选择表面的线到圆极化转换器,它可以在亚波长或更低的厚度内实现线极化到圆极化的转换;(2)基于周期的平行金属片加载介质栅的线到圆极化转换器,它可以获得超过60%的工作带宽,较低的传输损耗,较高的转换效率,以及稳定的斜入射性能。在微波频段加工和测试了上述两种极化转换器,并验证了它们各自的极化转换特性。最后,本文将提出的两类极化转换器与其它典型的设计进行了详细的对比,客观地讨论了它们各自的优缺点和应用前景。4.基于平面螺旋手性超材料的圆极化器:本文首先介绍了圆极化器的概念及其分类。然后基于平面螺旋手性超材料提出了超宽带的圆极化选择结构(Circular polarization selective structure,CPSS),它可以有效地反射左旋圆极化(Left-hand circularly polarized,LCP)入射波,而无损地传输右旋圆极化(Right-hand circularly polarized,RCP)波。通过在LCP和RCP波激励下平面螺旋上的电流分布清晰地解释了CPSS的圆极化选择机理。详细分析了单匝和双匝单平面螺旋对LCP和RCP波的传输特性,完成了双匝单平面螺旋样品的加工和测试。测试结果显示,在75.6%的带宽内CPSS对LCP波的传输系数低于0.2,而对RCP波的传输系数优于0.9,圆极化选择效率高于0.95。另外,还讨论了提升CPSS性能的两种可行方案,并将平面螺旋手性超材料CPSS与其他典型的CPSS设计进行了详细的比较,以揭示其优异的性能。最后,基于上述CPSS的设计,本文还提出了另一圆极化转换器,它可以将入射的RCP波转换为LCP波。完成了该圆极化转换器的加工和测试,并给出了相应的仿真和测试结果。