超材料是一种亚波长尺度下可人为设计的电磁结构,通常具有周期或非周期的排列形式。早期超材料研究的广泛流行起源于其带来的新奇电磁特性,如零折射率、负折射率、负的相对磁导率等。这些自然材料不具备的特殊特性引发了国际上关于超材料众多的基础研究和应用研究,如吸波器、隐身与幻觉设备、异常反射及异常折射等新颖电磁现象与装置。不同于早期复杂的三维结构,超表面作为超材料的二维形式,凭借其低剖面、低损耗、易加工等优势及优异的电磁调控性能进一步引领了研究热潮。为了实现数字信息与传统超材料的深度融合,2014年崔铁军院士等首次提出了数字编码超材料和可编程超材料的理念,将数字编码引入超材料设计,进而开拓了数字化设计及可编程调控超材料的全新视角。数字编码的设计理念一方面催生出大量数字编码化的超材料与超表面设计,例如相位、幅度、频率、极化、涡旋波、非互易性等多种多样的编码形式;另一方面也借助超材料平台,开辟了电磁物理与数字信息化相结合的新研究方向,进而产生了卷积编码定理、超材料信息熵、加法与乘法定理等信息超材料理论雏形。除了无源编码超材料,结合有源器件的现场可编程超材料将编码超材料的设计自由度扩展至时空维,以时空编码、自适应智能感知为代表的可编程多功能超材料将推动信息超材料向更高层次的智能和可认知方向发展。本文系统研究了数字编码和可编程超材料的多种编码及可编程信息调控形式,涵盖了相位、幅度、极化、增益、以及非互易性的编码可编程形式,并基于可编程设计提出了具有自适应调控能力的智能超材料、智能感知超表面和人工智能物理学习机。本文主要内容和创新点概括如下:1)提出了结合馈源联合设计渐变折射率透镜的方法,基于此设计验证了两种具有特殊波束的透镜天线,分别实现了幅相均匀分布的理想平面波透镜和扇形波束透镜。引入馈源优化为透镜的光路设计和口面幅度相位分布设计提供了新的自由度,基于介质打孔结构的设计也为透镜提供了宽带工作特性。2)提出了一种基于极化与轨道角动量模式联合编码的信息超表面。通过将正交的线极化与轨道角动量模式这两种电磁参量引入数字编码超表面的设计,可提升主波束携带信息的容量和可靠性。相比于单纯依靠相位映射远场的信息编码,采用极化与轨道角动量联合正交编码的方式可显著降低波束传输中的信息损失。设计并验证了两个正交线极化与五种正交轨道角动量模式之间的独立编码,提升了信息超表面表征和传输信息的能力。3)提出了一种极化可编程的信息编码超表面。基于PIN二极管,设计了独立可编程的极化转化调控单元,可对特定频点和特定极化上反射幅度的可编程调控,进而实现对超表面整体散射场x极化分量和y极化分量的自定义调控。通过不同的数字编码序列设计,在超表面散射波束上可产生多种线极化偏转角度。设计并验证了6组不同编码序列下散射场合成极化的偏转角度,为极化信息编码和传输奠定了基础。4)提出了一种具有可编程非互易性的信息超表面。通过以特定方向在传输式超表面结构上双向集成放大器晶体管,实现了具有非互易特性的传输式超材料结构。设计了由两个相反非互易性单元构成的超级子单元,通过控制放大器工作状态,实现了非互易可编程调控,可产生前向和后向非互易传输、双向互易传输和截止四种状态。基于该传输式超表面结构,进一步研究了放大器晶体管的增益调控特性,以比拟神经网络中的节点权重调控。通过构建多层可编程增益调控超表面,实现了具有神经网络运算和训练功能的智能物理学习机。5)提出了一种具有自适应调控功能的智能超表面。基于传统2比特可编程超表面的硬件架构,嵌入传感器、微处理器和智能反馈算法,构建了一套可自主决策的闭环控制系统。智能超表面能主动感知姿态变化来实时调控自身波束,以实现波束凝视、波束扫描和多功能波束调控等。智能反馈算法可根据感知数据实时计算出调控波束角度和所需的编码图样。该智能平台还具备高度扩展性,可集成光、声、热等传感器,以进一步提升感知维度和调控功能。6)提出了一种具有智能感知功能的双极化调控超表面。基于双极化1比特编码超表面的调控结构,进一步集成了针对入射电磁波强度和极化方向的感知结构,形成感知和调控一体化的结构设计。针对不同强度和极化的电磁波,该超表面可实现自定义的波束调控功能。设计并实验验证了三组包括双波束、四波束和随机散射等不同功能及不同极化的组合应用。