超表面是一种二维新型人工电磁材料,通过设计单元微结构产生局部电磁谐振,从而在亚波长尺度内实现对电磁波幅度、相位、偏振状态等物理量的自由调制。相较于传统电磁器件,超表面扁平轻量,调控维度多样,易于与载体集成化和共面化,提供了一种适用于全波段的电磁波调控方法。相位是电磁波的基本物理参量之一,基于相位调制,超表面可以实现电磁波任意波前调控,例如自旋霍尔效应、异常散射、全息成像和波束赋形等。目前报道的超表面设计大多工作于单个频段,基于共享口径或空间复用的多频段超表面因为减少了每个频段的工作单元数量,降低了器件整体效率,在单个单元结构内设计多频段超表面依旧是很有挑战的课题。此外,在相位调控基础上加入幅度调控,即实现复振幅调控,可以在成像系统中改善图像质量,在多波束天线系统中调控波束功率。本文立足单层介质基板,研究透射型、反射型和全空间多频段超表面设计中,实现高效辐射和复振幅独立调控的方法,解决超表面在电磁波前调控相关研究中存在的部分关键问题,并对不同功能的电磁器件进行深入研究。主要研究内容和贡献概括如下:在透射半空间电磁波调控研究中:基于单层介质基板提出高效率双频段超表面设计方法。通过将磁谐振器与电谐振器内外嵌套的巧妙组合,基于几何相位原理,在X和Ku两个频段独立地实现圆极化电磁波2π相位调制,并设计了双频段聚焦超透镜和双频段OAM产生器;利用磁谐振器与电谐振器之间弱耦合特性,在相位调制的基础上加入三级幅度调制,强化了超表面对功率分布的调控能力。与传统单层金属超表面相比,该设计在不增加加工复杂度和成本的同时,透射效率显著提高,为多频段超表面应用于现实场景提供了新思路。在反射半空间电磁波调控研究中:利用两个C型开口谐振器（C-shape split-ring resonator,CSRR）,在5G通讯的两个重要频段18GHz和28GHz实现了对线极化电磁波的2-bit相位调控和连续幅度调控,实现了多焦点反射面和全息成像设计;创新性地提出将两个磁谐振器和一个电谐振器交替穿插排布的方式,实现了三频段圆极化超表面,工作频率比达到紧凑的3:4:5,并且在每个频段上实现了连续相位调制和1-bit幅度调制,进而设计多功能超表面器件,说明了多频段超表面的功能多样性。在全空间电磁波调控研究中:针对透射型和反射型超表面都只调控了一半空间的问题,提出了在单层介质基板上实现全空间超表面的设计方法,分别在10GHz和15GHz调控透射半空间和反射半空间电磁波,实现了2π相位覆盖以及3级幅度调制。并基于该单元设计多功能全空间超表面,在透射半空间产生四个涡旋波束,且四个涡旋波束的模型分别为l1=-1,l2=0,l3=-1,l4=+1,相比单波束OAM,信道容量提升了四倍;而在反射半空间,以华东师范大学校徽“華”为目标图像,实现了超表面全息图。