电磁超表面（Metasurface）是一种由亚波长结构进行周期/非周期排列而成的人造结构。与三维超材料相比,它具有超薄厚度,损耗低,易于与其他器件集成等优点。同时,通过调整超表面单元的几何形状或排列方式,可灵活操控电磁波的幅度、相位及极化等物理量,因而在电磁领域得到广泛应用。本文围绕超表面对电磁波的极化调控展开研究,设计了两种透射型高性能线-圆极化转换器。结合Floquet定理和传输线理论,分析了具有强层间电磁耦合情况下的高精度等效电路模型,得到超表面的等效阻抗及散射参数的解析表达式。基于等效电路模型,分析了器件内部耦合机理及电磁耦合对器件性能的影响规律,在此基础上进一步获得器件的修正方案,最终得到厚度超薄的超宽带线-圆极化转换器。本文的主要工作和创新点如下:1.在层状超表面结构的等效电路分析方法中,已有的研究都是将超表面层等效为阻抗表面,将介质层看作传输线。这种等效模型对介质层厚度较厚的情况下具有较高的精度,而当介质层厚度为亚波长范围时,激励的高次谐波将通过介质层对相邻的超表面层产生作用,从而影响等效电路的计算精度。针对这一问题,本论文将Floquet理论与传输线理论相结合,提出了一种具有通用性的高精度耦合等效电路模型。从等效电路的角度出发,将超表面等效为一种广义波导结构,利用模式匹配法,最终得到层状结构的等效阻抗和散射参数的解析表达式。通过与全波分析法对比,所提出的等效电路模型在宽频带范围具有高精确性。进一步通过等效电路深入分析了层状超表面内部的电磁耦合机理及其对传输性能的影响,该部分内容为后续设计厚度超薄的层状超表面功能器件提供了理论支撑。2.在上述研究基础上,提出了一种由三层超表面构成的高性能透射型线-圆极化转换器。器件的上层和底层为由弯折线构成的超表面,中间层为修正的渔网结构。其中修正型渔网结构是将常规渔网结构沿x方向周期性刻蚀狭缝形成,通过刻蚀周期性狭缝,器件的带宽得到显著提升。同时采用等效电路模型分析了器件的极化转换机理。数值和仿真结果表明,该器件可以将线极化入射波在10-16GHz的宽带范围内转换为圆极化透射波,相对带宽为46%。即使当入射角增加至40度时,器件仍然可以在10-13.8 GHz的频率范围内保持良好的极化转换性能。在此基础上,制作了实验样品,实验验证了器件的工作性能。3.在上一章设计的器件中,介质层厚度较厚,等效电路模型中忽略了高次谐波的影响。为了进一步获得厚度超薄的极化器,我们提出了一种超薄、双层线-圆极化转换器的初始模型。每层超表面的单元结构相同,都是由分裂型的耶路撒冷十字结构和一个金属线栅构成。采用耦合等效电路模型,深入分析了器件内部的电磁耦合机理及其对器件性能的影响规律。通过分析电路元器件对器件性能的影响,我们提出在每个单元结构中沿y方向插入四个金属条,用来调整y方向的表面阻抗,以调整y方向透射波的振幅和相位,使得两正交极化透射波在超宽带范围内满足圆极化波的振幅和相位条件,从而极大拓展了器件工作带宽。数值和实验结果表明,该超表面能够在6.1-12.6 GHz的宽带范围内将线性极化入射波转换为圆极化透射波,相对带宽为69.5%。