相位梯度超表面(Phase gradient metasurface)是由周期性或准周期性亚波长微结构单元阵列组成的新型人工电磁材料。它通过改变子单元结构来控制反射和透射波的相位突变量,在超表面上形成相位梯度,可实现对电磁波传播方向、极化方式、传播模式等的控制,是近年来学术界的研究热点之一。本文围绕相位梯度超表面的设计与应用,采用理论分析、仿真设计和实验验证等手段对相位梯度超表面的物理特性、工作原理、设计和测试方法进行了系统的研究。文中首先介绍了相位梯度超表面的工作机理,分析了超表面工作性能的影响因素。在此基础上主要做的工作如下:(1)提出了一种工作在11GHz的单频超表面单元结构,通过对单频超表面谐振单元中各结构参数对反射波相移的影响进行系统分析,优化设计出最佳结构。基于此单元设计了一维超表面,对垂直入射的线极化入射波可产生27°的反射角;同时设计了在平面两个方向上均存在相位梯度的二维超表面,可产生非共面反射,异常反射角为65°,反射面与入射面夹角为-45°。最后对一维结构进行加工测试,测试结果与仿真结果相吻合。(2)分别设计了工作频率为14 GHz和28 GHz的两个单频超表面,在各自频段内均可产生17°的异常反射角,通过仿真对两个单频超表面结构的异常反射角和带宽特性进行了验证。(3)提出了利用单频谐振结构实现双频超表面单元的设计方案,基于此方案,根据上面得到的两单频结构设计双频单元,分析了单元中两谐振结构的互耦情况,并通过分组优化的方式解决了结构之间互相干扰的问题。设计的双频超标面工作频率为14 GHz和28GHz,异常反射角为17°,在两个频段的工作性能与其对应的单频超表面性能基本一致。