对电磁波传播进行精确的人工调控是当代电磁学最具有挑战性的课题之一。传统光学器件以及近年来研究热点之一的人工电磁媒质,都是采用三维结构的器件对电磁波的传播状态进行一定的调控,它们都依赖于电磁波传播过程中形成的累积相位差,这使得电磁波人工调控器件很难实现平面化,且厚度不能任意减小,从而导致重量和加工工艺等方面的限制,使得器件难以与其他组件集成。相位非连续人工电磁表面的提出为解决上述瓶颈问题提供了一种可行的方法,它通过人工电磁表面上分布的相位突变单元在电磁波的传播过程中引入相位突变,来替代传统器件中的累积相位差。利用超薄人工电磁表面替代传统器件的三维曲面或平板结构,能够极大程度上减小电磁波调控器件的尺寸及重量,进而有效地提高器件的实用性和系统的集成化。本文对微波波段相位非连续人工电磁表面机理展开研究,提出其工作性能的优化方法,并设计了一系列基于相位非连续人工电磁表面的新型电磁波人工调控器件,为相位非连续人工电磁表面的工程实际应用奠定基础。首先结合庞加莱球理论,分析了电磁波经历不同方式的极化转化过程中伴随的传输相位变化的特性与规律。利用此相位突变特性,代替传统透镜中的累积相位差,构造出单层超薄的相位突变单元。理论上证明了圆极化波入射的情况下,透射场中交叉极化分量转化效率的理论极限值。其次,在微波波段设计了小型化缝隙结构相位突变单元,其透射场中交叉极化波转化效率在谐振频点处可以逼近理论极限值。利用此相位突变单元,进一步设计微波波段异常折射人工电磁表面。对此透镜进行理论、仿真和测试研究,透射场中交叉极化分量的传播方向符合广义折射率的预测,并且在谐振频点处,透镜交叉极化波转化效率接近理论极限值。首次在微波波段实验验证了基于相位非连续人工电磁表面的高效电磁波异常折射透镜。通过进一步的研究,从两种不同的理论途径上对相位非连续人工电磁表面的工作带宽进行优化,使其不仅在谐振频点处,并且在较宽的工作频带内,透射场交叉极化波转化效率保持接近理论极限值。有效地拓宽了相位非连续人工电磁表面的工作带宽,为人工电磁表面的实际应用奠定了基础。接着以相位非连续人工电磁表面为出发点,通过相位突变单元在x轴向引入曲面透镜相位分布,并且利用相位突变单元对不同旋向圆极化波引入相位突变量符号相反的特性,设计了电磁波平面汇聚/发散的双极化人工电磁表面。同时,通过在人工电磁表面二维正交轴向上引入常数相位梯度,实现交叉极化波非共面异常折射和异常反射,对电磁波传播进行更高维度的人工调控。最后,通过在相位突变单元谐振模式中引入磁谐振,极大地提高了相位非连续人工电磁表面的交叉极化波转化效率,使得入射圆极化电磁波可以以极高的效率转化为其交叉极化分量。首先利用此高效相位突变单元,设计了实现电磁波空间汇聚/发散的平面透镜。其次,设计了一系列可以产生具有不同轨道角动量数的平面涡旋波片。通过仿真分析可以看出,该单元结构在提高相位非连续人工电磁表面交叉极化波转化效率的同时,可以保证其厚度相对于工作波长超薄的特性,使得基于此设计的电磁波人工调控器件更接近工程实际应用。