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随着科学技术的不断发展，传统电磁材料制约了微波以及光电子器件的进一步发展，因此各国科学家把目光放在了使用人工材料合成新型电磁材料的研究上，如光子晶体，电磁带隙结构，频率选择表面，高阻抗表面以及左手材料，等等。这些人工电磁材料具有与自然界中存在的传统电磁材料不同的电磁特性。利用这些特殊性质能够大幅提高现有微波及光电子器件的性能，在国防，医疗，通信，科研等领域都有着广泛的应用前景。
本文的工作围绕人工电磁结构在频率选择表面和高阻表面中的应用展开，主要针对目前广泛用于实现左手材料的裂缝谐振环(SRR)和与之互补的缝隙性裂缝谐振环(ASRR)结构，对它们在频率选择表面(FSS)以及高阻抗表面(HIS)中的应用进行了理论分析和实验研究。论文就以下三个方面展开了研究工作：
(一)首先对人工电磁结构的电磁分析进行了总结。主要针对裂缝谐振环和金属线构成的左手材料的电磁特性分析，包括由S参数反演等效介电常数和等效磁导率方法的介绍。在此基础上，我们通过等效参数的反演，发现当入射电磁波的磁场垂直于SRR表面时可以产生负等效磁导率，而当电磁波垂直入射到SRR 表面时可以产生负等效介电常数。我们还利用L-C等效电路模型对裂缝谐振环、螺旋形裂缝谐振环(SPR)等结构单元进行具体的分析，并对这些结构在微波工程中的应用进行介绍。
(二)对频率选择表面的工作原理进行了分析，建立了传输线等效模型并利用Babinet原理对ASRR的传输性质进行了分析。使用电磁波全波仿真分析软件HFSS对SRR、ASRR、SPR以及ASPR结构FSS的电磁波传输特性进行了全面的、深入的研究。分析结果表明ASRR FSS可以形成谐振透射，透射波具有沿垂直于裂缝方向的极化选择性；SRR FSS可以形成谐振反射，且具有与ASRR完全相反的极化选择性。频率选择表面的谐振频率由单元结构决定，受单元周期的影响较小。在仿真结果分析的基础上，我们设计了合适的结构尺寸，用印刷电路板工艺制备了ASRR FSS和ASPR FSS样品，并对样品进行了电磁波传输测量，测量结果与仿真结果基本一致，从而证明了理论分析的可靠性。
(三)建立L-C等效电路模型，对高阻抗表面的表面阻抗以及反射相位特性进行了分析。通过对比研究几种不同结构的高阻表面结构，提出了用SRR结构实现高阻抗表面结构，并解决了SRR结构的极化选择问题。分析了两种具有Space—filling Curve性质的高阻表面结构，通过理论分析发现，在形成高阻的频带内，这些结构都有比较大的损耗，因此可以用做窄带的薄层吸收材料。对部分反射表面理论进行了研究，通过分析，使用SRR结构在特定的频段内实现了无极化影响的低损耗高阻表面，为实现人工磁导体提供了一个实现途径。最后，我们制备了SRR结构的高阻表面样品，实验测量结果与理论仿真分析结果基本吻合。
我们的研究工作表明，SRR结构作为一种具有极化选择的FSS在空间滤波器，极化器等微波器件上具有一定的应用前景；而作为高阻表面的应用研究可以分为两个方向：一、可以作为窄带的薄层吸收材料；二、通过降低损耗，或采用部分反射表面理论进行设计，可实现理想的人工磁导体。