超材料是由周期或非周期排布的单元结构组成的人工复合材料,其具有奇异的电磁特性,可以用来实现对电磁波幅度、相位等参量的灵活调控。超材料为微波器件的设计与优化提供了新思路,基于超材料的电磁器件在许多领域得到了广泛应用,超材料透镜和超表面是超材料的两种典型形式。本文主要研究了超材料透镜和超表面对电磁波的调控及其应用,主要内容如下:提出了一种对透镜口面场电磁波幅度和相位分布调控的方法,通过优化透镜的折射率分布和馈源的辐射方向图,实现对宽带超材料透镜口面场相位和幅度分布的同时调控。首先,通过粒子群算法优化折射率分布,实现透镜口面场均匀的相位分布;其次,通过优化馈源的辐射方向图,实现透镜口面场特定的幅度分布。设计了一种三层超薄高传输效率单元,并据此设计了一种基于超薄传输式超表面的螺旋相位板天线,单元的总体厚度为λ0/20,其中λ0为中心频点(10GHz)对应的自由空间中的波长。通过控制多层单元结构四个谐振器之间的耦合,实现360°传输相移的同时保持大于0.9的透过率。仿真和实测的远场辐射方向图和近场相位分布表明设计的螺旋相位板天线能够产生轨道角动量波束。设计了基于传输式编码超表面的双模式轨道角动量天线。利用编码超表面原理,在不同的编码序列排布下,编码超表面具有不同的电磁响应。编码序列为M1的编码超表面产生一个l=1模式的轨道角动量波束,而编码序列为M2的编码超表面产生一个l=-1模式的轨道角动量波束。采用全息的思想对编码序列M1、M2进行混合叠加,叠加出最终的编码序列M。编码序列分布为M的编码超表面可以同时生成两个不同模式的轨道角动量波束。