电磁超表面是一种由亚波长单元结构周期或非周期地排布在二维平面上而形成的平面型人工复合电磁材料,可以通过等效电阻抗、磁阻抗以及突变相位来实现对电磁波灵活多样的调控,例如异常反射、异常折射、吸收、隐身、极化转换等。但由于传统超表面的单元结构仍然采用连续的(均匀或非均匀)等效媒质参数描述,因此从电路角度来看,这类超表面与模拟电路类似,可被看作“模拟超表面”。为了实现“数字版”的超表面,东南大学崔铁军教授团队于2014年提出了一种新型的基于数字表征的编码超表面,即通过数字编码序列来调控电磁波,这种以二值数字逻辑为基础的“数字超表面”极大地简化了超表面的设计流程,提高了调控电磁波的灵活度,扩大了调控范围。更重要的是,它成为超表面与信息科学连接的纽带,传统数字信号处理的各种算法将有希望直接应用于超表面的设计,形成一系列具有全新调控功能的电磁材料和器件。本文以编码超表面为研究对象,从理论分析、数值仿真、样品制备、实验验证、实际应用等多个角度详尽深入地研究了其对电磁波全面而灵活的调控能力。主要研究内容和贡献概括如下:1)利用传统超表面设计了一种基于双层矩形金属环结构的太赫兹四波段吸波器和一种基于三层金属棒结构的太赫兹宽带吸波器,在指定带宽内具有高效的实测吸波率,同时容许一定的入射角度。2)利用变容二极管在微波频段设计并实验验证了一种基于散射相消理论的频率可调式超薄柔性隐身衣,它能在偏置电压调整时改变自身的隐身频率,有效地减小了二维平面内的电小尺寸金属圆柱的双站雷达散射截面积(RCS)。通过分析超表面对衰减各阶米散射项所需的表面阻抗,精心设计了一种基于交指状单元结构的超薄柔性隐身衣,并在微波频段实验验证了其对电大尺寸金属圆柱RCS的有效抑制。3)为了避免编码超表面在实际应用中遇到因馈源而产生的遮挡效应,设计了一种基于三层金属开口谐振环结构的透射式编码超表面,并在太赫兹频段制备了具有抗物理磨损和耐化学腐蚀的柔性超薄样品,得益于无基底支撑式的设计,实测结果显示其对太赫兹波的偏折效率比现有同类设计具有显著提升。4)利用不同频率之间的正交性,设计了一款双频双功能一比特编码超表面,并实验验证了其对不同频率太赫兹波的独立调控。通过数值仿真实验讨论了金属层的电导率和介质层的介电损耗对单元结构反射幅度的影响,以及超级子单元在实现准确相位响应方面的机理。从傅里叶变换的角度分析了编码超表面产生背向散射的原因。5)提出了各向异性编码超表面及其对不同极化电磁波独立调控的理论,并在太赫兹频段设计并实验验证了一款二比特各向异性编码超表面。通过设计一种在:x极化和y极化时拥有独立编码态的哑铃型单元结构,展示了其对互相垂直极化的太赫兹波的独立调控。在此基础上,深入研究各向异性编码超表面对空间波到表面波的转换,提出了一种补偿编码序列,可使各向异性编码超表面在斜入射电磁波的照射下拥有与垂直入射时相同的远场方向图。6)提出了张量编码超表面及其对电磁波极化和波矢的全方位调控理论,并在太赫兹频段设计了一种基于矩形开口谐振环单元结构的张量编码超表面,将编码超表面所调控的对象进一步拓展至电磁波的极化,以及TM或者TE模式的表面波,并首次在太赫兹波段实验验证了垂直入射空间波到表面波的高效转换。通过严格理论推导,进一步验证了仿真和实验中所观测到的电磁波为TM和TE模式的表面波。7)创新性地将数字信号处理中的卷积运算引入到编码超表面的设计中,提出了一种可以将远场方向图进行高保真偏转的编码方案,使得仅利用有限个编码状态就可实现波束在整个上半空间的连续扫描,解决了传统编码方案仅能覆盖个别离散角度的缺陷。基于该编码方案,设计了一种能够产生不同形状的锥形远场方向图的超表面天线,以及一种可控型漫反射超表面。8)提出了一种基于现场可编程超表面的具有全新架构的无线数字通信系统,给出了用于实时评估和优化系统可用编码状态的信道估计算法和信道优化算法,并对该系统在不同采样点数、背景噪声等情形下的调制阶数进行了深入分析,同时讨论了其在保密通信方面的显著优势。9)提出采用信息量熵来表征超表面所携带信息量的大小,定义了编码图案的几何信息熵与远场方向图的物理信息熵,通过多个不同的编码图案,指出几何信息熵与物理信息熵之间的近似正比关系,为进一步研究基于可编程超表面的无线通信系统提供了理论支持。