超材料(Metamaterial)是近几年电磁领域的研究热点,它可以实现自然界中传统材料所不具备的性质,被广泛应用于各个学科和领域中。超材料是由亚波长单元按照一定序列排布而成,拥有对电磁波的调控能力。由于早期的研究对象为三维结构,在实际应用中不可避免地出现了体积繁重、损耗大的缺点,限制了其进一步发展。超表面(Metasurface)是超材料的二维表现形式,其超薄的结构解决了传统超材料的许多缺点,因此已经在很多应用中逐渐取代了超材料,掀起了新的研究热潮。超表面可调控电磁波的相位、幅度以及偏振方式,本文利用这些特性设计了基于超表面的天线增强和一系列多功能器件。具体内容和创新点有以下几方面:1.研究非谐振超材料在天线中的作用。设计并优化由半环形组成的超材料结构单元,使其可以在Ka波段内实现非谐振效应,并通过散射(S)参数反演法提取有效电磁参数,将其等效为均匀媒质;将超材料按照不同排列方式加载在对数周期天线上,天线的增益提高4.2dB。同时减小了天线在整个频段内的增益差量,有利于其在无线通讯中的应用。该结构还可被应用于太赫兹波段。2.设计多频多功能超表面并研究其性质。基于C形开口谐振环的性质,设计一款可以同时工作在反射模式与折射模式的双功能超表面。反射模式与折射模式分别由两个不同的谐振器调控,具有相互独立性。首次实现了交叉极化模式下反射型与透射型功能的结合。分析两个模式下的相位响应与幅度响应,并设计六单元与八单元的超表面阵列。六单元超表面阵列的相位差为60°,反射幅值为0.8,折射幅值为0.38;八单元阵列的相位差为45°,反射幅值为0.6,折射幅值为0.4。该设计结构也可被拓展到毫米波波段甚至光波段。3.设计几款多功能的超表面偏折器与透镜。一维超表面偏折器在较低工作频率时,实现异常折射;而在较高频率时,实现异常反射功能;二维超表面偏折器是在不同的极化方式下分别实现不同的偏折功能。超表面对相位与幅度的调控功能不仅仅可以用来实现光束偏折,还可以聚焦波束。通过精准调节超表面单元的相位值,所设计的超表面透镜在两个指定的工作频点上实现聚焦效果。对于双聚焦透镜,两个焦点分别设置为十倍波长与三倍波长,因此在低频点与高频点时,电磁波经过超表面透镜分别实现了传输型双焦点聚焦与反射型双焦点聚焦效果。