超表面是指将亚波长人工单元按照一定阵列准则排布在二维表面上,形成具有特定调控功能的超薄阵列结构。超表面不仅能够在亚波长尺度精确调控电磁波的多个物理特征,而且具有厚度薄、易共形和制作相对简便等多个利于工程化应用的优点,吸引了众多领域科研工作者的强烈兴趣和广泛关注。2014年东南大学崔铁军教授等人提出的数字编码和现场可编程超表面为超表面的研究注入了新活力,使得研究者可以从数字信息视角去设计超表面。通过改变编码序列即可实现电磁场与波的灵活调控,不仅简化了超表面对电磁调控的设计流程,更重要的是把超表面物理空间和数字空间连接起来,允许在单一超表面平台上同时调控电磁物理特性和处理数字信息。现场可编程超表面可通过数字编程方式实时产生不同功能,为研制多功能电磁器件和新架构电子信息系统提供了有效手段,应用前景广阔。本文以可编程超表面为研究主题,从控制方式、调控特征、功能、性能和应用等角度出发对其展开了深入和系统性研究,结合理论分析、结构设计、数值模拟和实验测试展示了可编程超表面对电磁波的强大实时调控能力及重要应用。主要研究内容和贡献概括如下:1)提出了一种光控电磁超表面的设计方案并基于该方案分别设计和实现了光控反射式数字编码超表面和光控透射式数字编码超表面,同时提出了利用电磁波幅度信息对超表面进行编码的新方法。实验结果证明在外部不同强度可见光控制下,加工的两种光控数字编码超表面能够分别用于动态调控电磁波反射波束和透射幅度。实现的光控方案可有效简化馈电网络设计,丰富了动态超表面的控制方式,对设计多物理场超表面和非接触式遥控超表面具有借鉴意义。2)提出、设计并实验验证了高度集成化的宽带光驱动可编程超表面。通过将多个独立的光传感网络与设计的宽带动态超表面进行一体化集成,可利用不同的光照图案来遥控超表面的微波反射相位分布,进而实时产生不同的电磁功能。作为演示,实验中用不同的光照图案远程控制该超表面实现了外部隐身、电磁幻觉和动态涡旋波束产生,实测结果与仿真结果吻合很好,验证了可在单一超表面平台上实现可见光实时调控电磁物理特征,为连接光信号和微波信号提供了接口。3)提出、设计了无需空馈结构的低剖面无源数字编码阵列天线和低剖面方向图可重构的现场可编程阵列天线并进行了仿真模拟和实验验证,研究结果均证明可以利用数字编码方法来直接调控电磁辐射波。4)提出并研制了正交极化波解耦实时调控的双极化独立可编程超表面。该双极化独立可编程超表面能够同时提供两路独立的电磁调控通道,拓展了可编程超表面的调控能力和功能,作为演示,利用其设计了用于圆极化波自旋控制的异或逻辑运算平台、定频大角度双波束扫描天线和双极化口径共享天线三种不同的功能器件,并在仿真和实验中得到了很好的验证。5)提出和设计了一种宽带全极化的时间调制可编程超表面并分析了其产生高效频率转换的原理。基于该时间调制可编程超表面和设计的自适应控制电路,研制了一套智能多普勒速度隐藏系统,它能根据运动目标的速度自动实现多普勒频移隐藏。实测结果表明该智能多普勒速度隐藏系统在不同极化和不同频率电磁波入射下均具有优异的性能,验证了在时域中实现电磁智能调控的可行性。6)提出和设计了一种可实现可见光信号到微波信号直接转换的光编程时间调制超表面并基于其搭建了一套混合通信系统原型。该光编程时间调制超表面能够将可见光携带的原始信息高效映射至微波载波上,无需复杂中继。实验中通过传输图片来验证混合通信系统的性能,结果证明它能通过可见光链路和微波链路分别发射和接收解调信息,实现数据的实时传输。