摘　要

近年来，超材料（Metamaterial）由于其强大的电磁波（Electromagnetic，EM）操纵能力而引起了研究者们的广泛关注，在超材料研究的基础上诞生了许多新的电磁功能器件，同时实现了很多有趣的物理现象。然而，在超材料器件的发展过程中，难以克服的加工困难和材料损耗问题阻碍了相关研究的进展。近年来，超表面（Metasurface）作为一种平面化的人工结构材料，由周期或非周期排列的亚波长散射结构体组成，得到了蓬勃发展。超表面器件极大程度的降低了对加工工艺的要求，且具备许多值得一提的优势，如低损耗、轻量化和高集成度等。通过适当地设计和排布超表面单元，研究者们提出了一系列新型的平面电磁器件，工作波长覆盖光学到微波波段。

随着系统小型化和功能集成化要求的不断提高，相关应用场合对多功能电磁调控器件的需求也日益增加。电磁调控超表面的出现为实现满足实际应用需求的器件提供了理想的设计平台。人们将多个电磁功能集成在同一个超表面中，提出了多功能电磁波前调控器件，并对其开展了深入研究。但在多功能电磁调控超表面迈向实际应用的过程中，比如将平面化超表面天线，一些亟待解决的问题是无法回避的。本文围绕轻量化、频率可重构、波束扫描、宽带消色差、全空间和多参数调控等几个重要问题，开展了一系列基于超表面的多功能平面电磁波前调控器件研究。论文的主要研究内容概括如下：

1. 提出了基于极化复用的频率可重构辐射调控薄膜超表面（Thin-Film Metasurface, TFM）的设计方法。通过两个不同尺寸的工字型谐振结构分别实现垂直和水平极化的电磁波相位控制，两种极化入射情况下工作频段分别为15－13.5 GHz和13.25－15.25 GHz。通过控制工字型谐振结构的长度变化以实现超过315°相位的调控，利用二次相位函数所计算出的相位排布设计超表面上各工字型谐振结构，在此基础上通过在焦平面上移动馈源实现了二维波束扫描，扫描角度达到±60°。为验证所设计超表面器件的功能，制作了一个直径810 mm的样品。试验测试结果和仿真结果保持了优秀的一致性，样品反射阵列最高增益达到30 dB，在±60°处增益达到27 dB。所提出的反射超表面具有低剖面，轻量化，多频段，大角度波束扫描等特点，有望应用于通信，探测等领域。
2. 开展了基于有源器件的频率可重构辐射调控薄膜超表面研究。采用王字型结构设计，通过加载变容二极管和PIN二极管的可重构超表面单元，调控其偏置电压以实现不同的电容状态。在y轴方向上实现了相邻单元之间的可调相位梯度。调整不同的电压配置可以匹配不同的工作频率并获得相对稳定的相位梯度，这保证了波束扫描的稳定性并扩展了超表面的工作带宽。在9.1－10.1 GHz的频段上，成功的验证了可重构超表面的频率调控特性。并且可以通过适当的电压配置实现散射调控和极化转换功能。这项研究为实现有源可重构超表面带宽的拓展提供了一种新的思路，具有频率可重构和轻量化的特点。
3. 提出了一种集成复合相位调控结构和谐振相位调控结构的极化复用透反射一体化超表面（Transmission-Reflection-Integrated Metasurface, TRIM）单元，可同时操纵透射和反射电磁波。通过法布里腔（Fabry-Pérot-like）和阻抗匹配设计，超表面单元透射率和反射率分别达到82.4%和90.6%。此外，基于频率复用和色散调控技术，分别实现了透射和反射模式下的宽带消色差设计。在12－18 GHz和19－24 GHz下设计了一个一维宽带消色差透反射一体化聚焦超表面，模拟仿真聚焦效率为112－17.21%（透射模式）和14.57－20.86%（反射模式）。进一步设计和制造了一个共口径的透反一体平板天线，以验证所提出设计方法的可行性。为了进一步提高工作带宽，透射阵和反射阵被设计在相邻的工作频段。由于单元的电磁响应本身伴随着一定的带宽，谐振相位单元阵列的工作频段可以灵活地转移，以实现多频段和多功能的集成设计。总的来说，本文的方法克服了以往透射、反射集成超表面存在的色差问题，为功能集成器件开辟了一条新的途径。相信这种典型设计方法在集成光学成像和无线通信系统中具有很大的应用前景。
4. 提出了一种基于二次相位的多参量电磁调控全空间超表面（Full-Space Metasurface, FSM）结构设计，通过改变入射波的极化、初始相位以及馈源位置实现多种独立的电磁功能调控。基于此超表面单元获得了覆盖2p的透射交叉极化和反射共极化电磁波的相互独立位相调控。在30 GHz时，其透射率和反射率分别大于88%和96.5%。随后，在构建全空间辐射方向调控超表面时采用了二次相位剖面设计。在30 GHz频率下，设计了一个透反射一体化的二次相位超表面，其透射和反射模式下的角度聚焦范围均超过±60°。为了证明该方法的可行性，加工了一个多功能平板天线并进行实验验证。在透射和反射模式下，波束扫描角都超过了±60°。同时，基于双波束相干法，获得了四个典型的电磁波极化。任意极化的电磁波可以通过这种超表面器件产生。此外，由于超表面结构的对称设计，当使用多个馈源同时照射超表面时，所提出的多功能平板天线也可以作为一个多波束天线使用。总的来说，所设计的多功能超表面为全空间电磁波调控提供了一种手段，在集成光学、雷达探测和无线通信等领域具有巨大的前景。