超构表面也叫人工电磁表面,一般由周期排布的亚波长单元结构组成,是一种具有特定电磁调控功能的二维或准二维平面人工电磁材料结构。其工作原理基于惠更斯原理,通过在分界面上引入具有相位突变特性的电磁单元结构,形成一定的空间相位分布从而对电磁波的传播特性进行灵活地调控。由于整体厚度和单元尺寸都远小于波长所以还具有重量轻、体积小、易于设计等优点。本文主要开展超构表面对空间电磁波进行反射和透射调控时的频率色散特性和空间色散特性的研究和应用工作。通过设计具有特定相频响应特性的超构表面单元结构,并进行一定的空间排布,实现了不同频率响应特性和空间响应特性的电磁波反射和透射调控器件。此外,结合天线阵列网络,利用多层超构表面,还提出了具有特定空间角度响应特性的电磁波散射和透射调控的电磁器件。本文在以下几方面取得了创新性成果:1、采用广义表面边界条件和惠更斯原理,分析了超构表面的电磁色散响应特性。在此基础上,设计了具有滤波器功能的反射式超构表面。所设计的反射式虑波器由单层带金属背板的超构表面组成,采用单元色散工程设计,对相位梯度随频率的变化进行控制,实现了以10GHz为中心频率的窄带反射式滤波。实验和仿真分析均验证了这种新型反射式超构表面在X波段的频选式窄带滤波效果。2、研究了随机散射超构表面单元的相频响应特性及其散射缩减理论。通过对单元色散特性的调控及空间分布的优化,设计实现了反射型频率选择式散射缩减超构表面。采用两种不同的各向异性电磁谐振单元分别实现了针对单极化和双极化的频选式随机散射超构表面。前者通过调整单元结构的几何参数,设计构造了两种结构不同的单元。它们的相频响应曲线满足设计要求,可以作为超构表面的基本单元。后者则只采用了一种各向异性单元结构,通过设计其在x极化和y极化入射情况下的相位色散曲线,以该结构的两个正交的旋转方向构成两个基本单元。随机分布后形成的超构表面,在x极化和y极化入射情况下都具有频率选择式随机散射的功能。在此基础上,进一步将双极化的频选式散射缩减超构表面应用于低散射天线的设计中,将所设计的超构表面与天线相结合,替换天线原来的金属背板,可以降低天线在工作频带外整体结构的背向雷达散射截面,同时保持了工作频带内天线原有的高增益辐射特性。3、分析了透射式电磁超构表面的频率色散特性。在此基础上,设计了中心频带高透射,在两个边带随机散射的超构表面。该超构表面实现了在低频段(7.5 GHz到11.5 GHz)和高频段(12.5 GHz到16 GHz)对入射波形成随机散射,而在中心频点12 GHz附近对入射波进行高透射的功能。可以将其用作新型的天线罩,实现在整个目标频带内的背向雷达散射截面缩减,并同时保持天线工作频带内的高透射性能。4、探讨分析了入射角度选择式多通道反射表面实现方案。结合改进的Van Atta天线阵列结构,设计了入射角度选择式反射超构表面,实现了针对不同入射角度的电磁波,其反射波方向可独立调控的功能。据此方法设计了原型器件,可以对±30°范围(每隔10°)内的入射电磁波,分别实现离散化特定方向的反射波束。这种新型功能器件在无线通信、目标识别、被动检测等方面都具有潜在的应用前景。5、通过采用智能优化算法对双层级联的超构表面进行优化设计,实现了入射角度选择式多通道反射控制平面电磁器件。所设计的多层堆级联超构表面在±40°的入射角度范围内均保持良好的性能。相比于前述Van Atta天线阵的实现方法,该方案结构更加简单,厚度更薄,更容易实现。