近年来,电磁材料领域的电磁超表面得到了人们的广泛关注,简单理解电磁超表面就是二维结构的超材料。它能够实现对入射电磁波的相位、幅度、极化以及传播模式等特性的自由调控,并且具有低剖面,结构轻便,易加工等优点。将其运用于雷达、通信、军事等领域,都有十分重要的意义,如何合理地优化设计电磁超表面,更是一个迫切需要解决的问题,本文针对电磁超表面的优化设计开展研究。要优化设计电磁超表面,得依靠非常强大并且有效的电磁散射计算方法作为支撑。之前在超表面散射特性方面分析探讨过程中,往往是用数值算法以及以该算法为基础的商用软件,需要大量的时间和资源。空间映射算法为解决复杂、高成本电磁仿真优化问题带来了全新的思想,可以大大减少所需时间和资源,提高效率。空间映射算法将待优化的对象分为粗模型和细模型,在粗模型和细模型之间构造映射关系。在算法的进行过程中,在粗模型中进行优化工作,用细模型来验证设计结果是否达到指标要求。本文的第二章,阐述了电磁超表面及空间映射优化方法的原理,介绍了电磁超表面在雷达隐身以及反射阵天线上的应用,并从概念和原理上介绍了空间映射算法,对原始空间映射算法和渐进空间映射算法的优化设计步骤做了详细说明。本文的第三章,设计了“0”、“1”编码单元,排列组合构成隐身超表面。提出了能够考虑单元间耦合的阵因子计算方法作为粗模型,以及全波仿真方法作为细模型,结合空间映射算法对隐身超表面进行了优化设计,找到最优的编码单元排布,仅通过3次细模型仿真就达到了雷达散射截面缩减达到10dB的要求。本文的第四章,对可重构超表面反射阵天线的优化设计做了研究。对可重构1-bit编码单元进行了分析与设计,使得两种模式单元在2～4GHz频率范围内,相位差基本保持在180±40°。建立起可重构超表面反射阵天线的粗模型与细模型,优化设计了一款12×12个阵元的可重构超表面反射阵天线,使天线在2.8GHz～3.2GHz频段内能够实现±45°的波束扫描,相对副瓣电平小于10dB,主瓣增益大于15dB。