随着无线通信系统向高速率、宽频带、可软件定义方向发展,通信系统中的射频前端、天线面临着多功能、小型化、可重构方面的巨大挑战。新型超材料天线的电磁理论及实现方法研究,为解决上述瓶颈问题提供了重要的理论基础及技术手段。本文从三个方面对超材料天线进行了系统深入的研究:首先,研究了基于变换光学的同时任意路涡旋波束产生器。但是由于这种三维的超材料具有较强的各向异性,并且损耗较大,因此开始了对二维超材料(石墨烯超表面)的研究。然而提出的石墨烯超表面虽然能够自由调控波束的动量,但是它的可重构性较差。出于对可重构性的考虑,本文最后又对基于极化粒子方法的可重构全息超表面进行了深入研究。本文的主要创新点如下:(1)基于变换光学原理,提出了一种可同时获得任意路、不同拓扑模态涡旋波束的产生器,并且每路涡旋波束的拓扑模态、传播方向以及所分配的功率均可被调节。(2)提出了能够对太赫兹波束的自旋角动量和轨道角动量任意调控的石墨烯超表面。这种超表面不仅能实现360°全范围的相位覆盖,而且还能够同时调控两种动量。(3)结合极化粒子的原理和全息超表面结构,提出了一种可重构的全息超表面天线。基于这种可重构超表面天线结构,分别实现了圆极化波束扫描、近场聚焦和无衍射波束传输三种功能。