在现代无线通信和雷达系统中,电磁波前赋形具有重要的应用价值和研究意义,通过波束赋形技术可以实现特定的远场方向图来满足实际应用场景的需求。电磁超表面作为一种平面型的人造复合电磁结构,由于具有剖面低、设计灵活、加工便捷、损耗低等明显优势在电磁波调控与设计领域成为研究热点,其表现出来的独特的电磁性能为实现对电磁波的完全控制提供了一种新的方案。本文主要研究电磁超表面对电磁波幅度和相位的同时调控机理,分别设计了反射型超表面、透射型超表面和全空间调制超表面,最终通过对电磁波幅度和相位的同时调控实现了一维波束赋形、二维波束赋形和双方向波束调控,且全波仿真分析结果以及实验测试结果都与理论预期一致。本文的具体研究成果与内容可以概括如下:1、设计了一种反射型波束赋形超表面。首先分析了一种反射型幅相双控超表面单元的电磁特性,建立起单元结构参数与反射系数的幅值和相位的对应关系。然后,根据直线阵列方向图综合理论,分析了一种基于泰勒综合法和叠加原理的波束赋形方法,其主要思想就是通过多个低副瓣笔形波束的叠加逼近目标方向图。最后,分别以一维平顶波束和余割平方波束为目标方向图,将计算得到的激励幅度和相位分布应用于超表面设计中,通过全波仿真计算得到了具有低副瓣特性的一维平顶波束和余割平方波束,副瓣电平均小于-20d B,主瓣区域形状均与预期一致,同时两款波束赋形超表面天线均具有一定的宽带特性。2、设计了一种透射型波束赋形超表面。首先仿真分析了一款透射型幅相双控超表面单元的电磁特性,确定了单元结构参数与透射系数的幅值和相位的对应关系。然后,基于二维平面阵列方向图综合理论,分析了泰勒综合法和叠加原理实现二维波束赋形的原理以及过程,分别以矩形平顶波束和三角形平顶波束为目标方向图,求得了其各自所需的激励幅度和相位。基于此设计了幅相双控超表面阵列,通过全波仿真计算在透射方向得到矩形平顶波束和三角形平顶波束远场方向图,均实现了小于-20d B的副瓣电平,且主瓣赋形效果良好。最后,对矩形平顶波束赋形超表面进行加工测试,得到的实测结果与全波仿真结果一致。3、设计了一种全空间调制超表面。通过幅度和相位的同时调制,在反射方向和透射方向实现不同的功能。首先,仿真分析了一种多层结构的超表面单元,采用x和y极化平面波分别激励,得到反射系数和透射系数随单元结构参数的变化关系。然后,分析了OAM涡旋波束的产生原理,并根据场叠加理论得到同时生成多个不同阶OAM涡旋波束所需要的相位分布;另外,根据上面所述的二维波束赋形方法,得到实现低副瓣四波束所需的激励幅度和相位分布。最后,将设计的超表面阵列进行全波仿真计算,在y极化波激励时,通过主极化反射系数相位的调制,在反射方向得到模态值分别为±1的两个OAM涡旋波束;当采用x极化波激励时,通过对交叉极化波幅度和相位的同时调制,在透射方向实现低副瓣的四波束赋形。