电磁超表面（metasurface,超表面）是将亚波长尺寸的散射体有序排列在某个平面上,使之体现出某种电磁特性的新材料。电磁超表面被用作极化选择表面、频率选择表面、低雷达散射截面（radar cross section,RCS）表面、波束控制表面、表面波波导、高增益辐射超表面天线等。作为一个电磁领域的新成员,超表面在实际应用中仍有很多难点需要克服,如用于散射控制的超表面存在效率低下、体积和重量较大等缺陷,用于辐射的超表面存在设计成本高、带宽窄和辐射方向图随频率偏移等问题。针对这些问题,国内外专家们提出了一些解决方案,但仍然不能完全解决这些缺陷。因此,研究新型的电磁超表面设计方案以提高其性能具有重要的研究意义。本文研究近年来新型超表面在辐射与散射中受到的限制,提高超表面工作效率。在理论上,本文详细地分析了这些超表面效率低下的原因并且通过分析,提出新的设计方案以提高电磁超表面的效率和性能。本文主要研究内容和创新包含以下几个部分:第一部分,梯度相位超表面可以被用于控制反射或者透射平面波波束的方向,然而当反射角与入射角差距太大并且入射波和反射波具有相同极化时,超表面的反射效率低下。本文详细分析了相位梯度超表面效率低下的具体原因,深入研究了它在波束控制中的局限性,提出了利用多个交叉极化或共极化辅助表面波设计电磁超表面,所设计出的超表面可以高效控制散射电磁波。第二部分,通过控制反射波波束方向和极化、以及吸收入射电磁波,电磁超表面可以降低目标体结构的RCS。常用低RCS电磁超表面的散射体单元为亚波长尺寸并且排布间隔远小于工作波长,因此重量较大且不易加入可调节器件。超光栅是电磁超表面的一种扩展,其单元排布间隔大于等于半个工作波长并且可以简单高效控制反射波束。本文首次提出利用有耗超光栅结构降低超表面的RCS,这种超表面具有重量轻且易于加入控制元件的优点。本文详细推导了具有损耗特性的电磁超光栅相关基本公式,并且设计了多款低RCS超表面。第三部分,基于单正弦调制超表面的高增益天线可以向某个指定方向辐射电磁场,其设计方法简单、增益较高、天线易于加工且性能较好。然而,这种超表面天线容易在可见区内出现高幅度栅瓣波束,显著降低天线效率。为提高其辐射效率,本文提出了基于双正弦调制超表面的高增益天线设计方法。通过在单正弦调制超表面的表面阻抗中加入高阶正弦调制项,双正弦调制超表面可以有效控制天线的栅瓣辐射特性。因此,利用双正弦调制超表面可以设计出具有栅瓣抑制能力的高增益天线。第四部分,采用基于全息技术的电磁超表面可以设计出高增益的漏波天线,但设计难度较大且小型全息天线效率较低。本文基于特征模分析理论,提出了一种高增益电磁超表面天线的新设计方法。本文首先研究了均匀电磁超表面表面阻抗与特征模之间的关系,通过调节超表面表面阻抗可以使天线基模有效辐射。然后利用多个超表面拼接,抑制天线高次模辐射,只有基模辐射的天线具有高增益特性。我们利用这种方法设计了一款工作在C波段且相对带宽约为4.8%的边射高增益天线。