随着无线技术在通信和传感器网络中的广泛应用,终端和移动设备中阵列天线的研究越来越受到人们的关注。阵列天线潜在应用领域较为广泛,包括通讯系统、射频标签和生物医学系统、军事应用、以及无人驾驶等。一般地,阵列天线通过改变天线单元馈电相位和幅度的方式实现辐射电磁波调控。随着大规模大容量等通信技术需求的提出,对阵列天线单元数目需求增多且预留给天线的物理空间变得极为有限,通过传统的馈电方式实现阵列天线单元的相位调控较为困难。因此,开发新型阵列天线辐射调控方式仍然是一个挑战。此外,辐射波传播过程中对应极化调控的研究具有重要的意义。超表面是一种特殊的二维人工电磁结构,具有超薄、可共形、低损耗、灵活轻便、易加工等诸多优点。超表面实现了与数字信息的深度融合并在实际中得到有效应用,展现出了优异的电磁调控性能。本文以超表面为研究对象,详细讨论了超表面在阵列天线设计和极化调控中的应用。主要研究内容和贡献概括如下:（1）提出了一种基于编码超表面阵列天线,将编码超表面与初级天线单元相集成,通过适当的空间编码序列来控制辐射波束。编码超表面天线单元结构能够实现2bit相位调控,通过超表面调控天线的辐射相位具有简便的优点。通过设计不同的数字编码序列,超表面阵列天线能够实现波束偏转、多波束等功能。除此之外,运用卷积运算,编码超表面天线阵列可实现对辐射波束任意控制。所介绍的编码超表面天线为阵列天线的设计和开发提供了新思路。（2）提出了一种基于超表面实现对线极化和圆极化辐射波全相位调控的阵列天线。基于几何相位和传输相位,设计了一种基于双开口环谐振器组成的超表面天线单元。其中,超表面单元不仅可以实现全相位调控,而且单元本身可产生电磁波辐射。阵列天线剖面高度仅为0.07个工作波长。设计并验证了超表面阵列天线能够实现轨道角动量波束、非对称波束、自旋调控多波束和任意能量分布的空时聚焦等不同极化状态的电磁功能。（3）提出了一种基于超表面实现对全相位、任意极化状态、以及辐射能量调控的阵列天线。基于改进型开口环谐振器,设计了一种单层主动辐射超表面单元。其中,通过几何相位可以实现全相位调制,通过改变传输相位可以实现任意线极化状态以及交叉信道和同信道的能量分布比。作为概念验证实例,基于该天线单元设计并验证了三种先进的电磁功能器件:一种新型多输入多输出（multiple-inputmultiple-output,MIMO）天线,该天线具有抑制通道串扰和信息加密的功能;一种实现不同信道波束能量调控超表面天线;一种基于最大能量传输功率算法的全息成像超表面天线。（4）提出了三款基于超表面实现不同极化转换功能的超薄高转换效率极化转换器。基于超表面和所提出的超表面器件的一般性优化方法,设计了三种基于超表面的极化转换器,分别为正交线极化转换器、正交圆极化转换器以及圆-椭圆极化转换器。通过金属化过孔的方式增加入射波接收层和出射波发射层之间的耦合,使得极化转换器的剖面高度显著降低且效率得到有效提高。所设计的转换器结构简单,可用于微波通信、遥感、成像等领域。