电磁超表面是一种由亚波长尺寸单元周期性或非周期性排列形成的人工二维平面结构。电磁超表面因为其强大的电磁波调控能力,在过去的数十年间获得了研究者们广泛的关注与研究。其在微波和光学等领域获得了一系列应用,包括奇异偏折、RCS缩减、全息成像和超薄透镜等。随着时域数字编码超表面的提出,超表面更是首次具备了调控电磁谐波分布的能力,并逐渐开始被应用于谐波波束调控、宽带频谱隐身、多普勒欺骗和新体制无线通信等领域。此外,一些研究开始探索直接利用超表面调控空间电磁波的群时延特性,从而实现对空间电磁波的模拟信号处理。在此背景下,本文主要关注电磁超表面在信息调制与信号处理方面的研究。主要内容和贡献概括如下:1.提出了一种精确调控宽带谐波幅相的方法。通过改变加载到超表面上数字编码序列的占空比和时间延迟,实现了对谐波幅度和相位的精确调控。同时,在本编码策略下,超表面反射系数的频率色散效应不会影响谐波的相对幅相分布,从而使得精确谐波调控的宽带化得以实现。在实验中,设计了一款工作于22-33 GHz的1比特数字编码超表面,其反射相位取决于所加载PIN二极管的通断状态。利用控制平台输出电压波形到超表面上,实现了对谐波幅相的精确调控和宽带的谐波波束调控,验证了理论的正确性。2.基于宽带谐波幅相的精确调控理论,搭建了毫米波频段的高阶调制无线通信系统。通过加载具有不同占空比和时间延迟的编码序列到超表面上,精确控制+1阶谐波的幅度和相位,从而综合出任意的星座图分布。实验中,在27-29 GHz的宽带范围内最高实现了256QAM的高阶调制,极大拓展了超表面无线发射机的信息调制能力。3.提出了一种基于超表面设计空间延时器的方法。延时器又被称为色散时延结构,是模拟信号处理器的核心部件。延时器通常具有特定的群时延关于频率的响应函数。传统上,延时器都是用电路或波导结构实现的,但是由于自然界中材料特性的限制,还很少有器件能够实现对自由空间中电磁波群时延的直接调控。为了克服这一局限,利用了一种基于超表面的新结构,即空间延时器,来在空间域直接进行模拟信号处理。为了证明所提出的理论,设计了三种不同群时延响应的空间延时器并实际加工测试了其中一种,实验与仿真结果吻合良好。本工作将推动空间域中实时模拟信号处理技术的发展。