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人工电磁超表面是人工设计的具有电磁波调控特性的一种表面型结构，可应用在无线通信领域和多通道通信传输等领域，成为了近年来国际物理学和电磁学界的研究热点课题。人工电磁超表面主要分为电磁超材料，近零折射率超材料，频率选择表面等几大类。介电常数为负的电磁超材料称为电负电磁超材料，磁导率为负的电磁超材料称为磁负电磁超材料，介电常数和磁导率同时为负的电磁超材料称为双负左手电磁超材料。近零折射率超材料分为介电常数近零的单近零折射率超材料，磁导率近零的单近零折射率超材料，以及介电常数和磁导率同时近零的双近零折射率超材料。频率选择表面分为反射频率选择表面，传输频率选择表面，和吸波材料，其中反射频率选择表面又分为部分反射频率选择表面和全反射频率选择表面。本论文基于近零折射率超材料，部分反射频率选择表面，传输频率选择表面创新性地设计实现单元天线和阵列天线的波束偏转和高增益，并应用于轨道角动量涡旋电磁波的波束偏转和高增益来增大通信频谱利用率。另外本论文研究探索了基于透明导电氧化物的人工电磁超表面设计，基于透明导电的氧化铟锡设计了宽带吸波材料，生长制备了透明导电氧化锌纳米结构。本文的研究内容及创造性结果主要分为以下几个部分：
1.基于近零折射率超材料实现微带天线的高增益提升。首先设计具有介电常数近零特性的新型单近零折射率超材料，并放置于微带单元天线上方实现近零频点附近电磁波束汇聚以及增益大幅度提升。在提出的新型单近零折射率超材料的结构基础上进一步优化设计结构实现新型双频近零折射率超材料，双频近零折射率超材料的第一个近零折射率频点为磁导率近零，另一个近零折射率频点为介电常数近零，该双频近零折射率超材料同时具有带阻的频率选择特性，将该双频近零折射率超材料放置于微带单元天线上方实现近零折射率频点附近一定带宽内高增益提升。基于提出的双频近零折射率超材料的结构，优化参数得到相对于原双频近零折射率超材料在低频处双频近零的双频近零折射率超材料，级联原双频近零折射率超材料和低频处的双频近零折射率超材料放置于微带单元天线上方实现了宽频带大幅度高增益提升，增益最大可提升6dB，对应的3-dB增益带宽为15.07%，对比天线加载单层双频近零折射率超材料的情况，3-dB增益带宽缩小，但是最大增益提升。
2.部分反射频率选择表面可简称为部分反射表面，设计部分反射表面并基于漏波天线原理实现高增益波束偏转单元微带天线和高增益波束偏转阵列天线。首先设计反射相位和频率正相关的宽带部分反射表面单元，将具有均匀一致尺寸的单元排布为部分反射表面放置于L形探针馈电的微带天线上方，并基于法布里-珀罗谐振腔原理实现20.6%的3-dB宽频带高增益，增益最大提升6.45dB。为了进一步提高天线的增益和口径辐射效率，基于法布里-珀罗谐振腔原理和相位补偿原理设计了两种部分反射表面单元，排布为非均匀表面并放置于微带天线上方实现了最大9.4dB的增益提升和54%的大口径利用率，对应的3-dB增益带宽为7.3%。相对于均匀表面，非均匀表面对天线的增益提升幅度更大，口径利用率更高，但是3-dB增益带宽缩减。在可实现高增益提升的基础上深入设计可实现波束偏转的部分反射表面，首先设计十字形和方环形部分反射表面单元，通过改变单元的物理尺寸分别实现180度和80度的相位覆盖范围。分别基于十字形部分反射表面单元和方环形部分反射表面单元设计相位梯度表面实现高定向性大角度波束偏转。
设计一维线性微带阵列天线，加载非均匀表面实现高增益，非均匀表面由十字形和方环形两种单元构成，而后设计二维线性阵列加载部分反射表面实现双频双极化波束偏转且低频增益提升的共口径天线阵列。
设计圆形排布的微带天线阵列产生轨道角动量涡旋电磁波，分别通过加载多层介质板电磁带隙结构和单层频率选择表面实现高增益涡旋电磁波，提升信道的频谱利用率，该天线阵列采用威尔金森功分器馈电。进而设计可产生携带混合模态轨道角动量的涡旋波束的圆形天线阵列，分别设计不等功分威尔金森和巴特勒矩阵功分器实现天线阵馈电。通过在圆形阵列上方加载相位梯度表面实现高增益的涡旋电磁波单波束偏转。
3.传输频率选择表面可简称为传输阵，基于其分别设计实现喇叭天线的波束偏转，阵列天线产生的涡旋电磁波的波束偏转，以及涡旋电磁波的波束偏转。设计传输相位随着物理尺寸变化具有310度相位变化范围的传输阵单元，基于相位补偿原理布阵为传输阵实现波束偏转，而后加载于可产生轨道角动量涡旋电磁波的阵列天线上方实现涡旋电磁波的波束偏转。最后设计了一种传输相位随着物理尺寸变化具有360度相位变化范围的传输阵单元，将该单元组阵为传输阵实现了携带轨道角动量的涡旋电磁波的波束偏转。
4.基于透明导电氧化物设计人工电磁超表面。设计构造宽带吸波材料，该材料由两层透明的碱石灰玻璃介质板和三层贴片形透明氧化铟锡薄膜组成，该材料可在6.1到22.1GHz的宽频范围内实现高于85%的吸波率，同时具有高光透射性和宽角度入射波稳定性。生长制备透明导电氧化锌纳米结构为下一步基于纳米结构的人工电磁超表面的设计制备作准备。
1.基于近零折射率超材料实现微带天线的高增益提升。首先设计具有介电常数近零特性的新型单近零折射率超材料，并放置于微带单元天线上方实现近零频点附近电磁波束汇聚以及增益大幅度提升。在提出的新型单近零折射率超材料的结构基础上进一步优化设计结构实现新型双频近零折射率超材料，双频近零折射率超材料的第一个近零折射率频点为磁导率近零，另一个近零折射率频点为介电常数近零，该双频近零折射率超材料同时具有带阻的频率选择特性，将该双频近零折射率超材料放置于微带单元天线上方实现近零折射率频点附近一定带宽内高增益提升。基于提出的双频近零折射率超材料的结构，优化参数得到相对于原双频近零折射率超材料在低频处双频近零的双频近零折射率超材料，级联原双频近零折射率超材料和低频处的双频近零折射率超材料放置于微带单元天线上方实现了宽频带大幅度高增益提升，增益最大可提升6dB，对应的3-dB增益带宽为15.07%，对比天线加载单层双频近零折射率超材料的情况，3-dB增益带宽缩小，但是最大增益提升。
2.部分反射频率选择表面可简称为部分反射表面，设计部分反射表面并基于漏波天线原理实现高增益波束偏转单元微带天线和高增益波束偏转阵列天线。首先设计反射相位和频率正相关的宽带部分反射表面单元，将具有均匀一致尺寸的单元排布为部分反射表面放置于L形探针馈电的微带天线上方，并基于法布里-珀罗谐振腔原理实现20.6%的3-dB宽频带高增益，增益最大提升6.45dB。为了进一步提高天线的增益和口径辐射效率，基于法布里-珀罗谐振腔原理和相位补偿原理设计了两种部分反射表面单元，排布为非均匀表面并放置于微带天线上方实现了最大9.4dB的增益提升和54%的大口径利用率，对应的3-dB增益带宽为7.3%。相对于均匀表面，非均匀表面对天线的增益提升幅度更大，口径利用率更高，但是3-dB增益带宽缩减。在可实现高增益提升的基础上深入设计可实现波束偏转的部分反射表面，首先设计十字形和方环形部分反射表面单元，通过改变单元的物理尺寸分别实现180度和80度的相位覆盖范围。分别基于十字形部分反射表面单元和方环形部分反射表面单元设计相位梯度表面实现高定向性大角度波束偏转。
设计一维线性微带阵列天线，加载非均匀表面实现高增益，非均匀表面由十字形和方环形两种单元构成，而后设计二维线性阵列加载部分反射表面实现双频双极化波束偏转且低频增益提升的共口径天线阵列。
设计圆形排布的微带天线阵列产生轨道角动量涡旋电磁波，分别通过加载多层介质板电磁带隙结构和单层频率选择表面实现高增益涡旋电磁波，提升信道的频谱利用率，该天线阵列采用威尔金森功分器馈电。进而设计可产生携带混合模态轨道角动量的涡旋波束的圆形天线阵列，分别设计不等功分威尔金森和巴特勒矩阵功分器实现天线阵馈电。通过在圆形阵列上方加载相位梯度表面实现高增益的涡旋电磁波单波束偏转。
3.传输频率选择表面可简称为传输阵，基于其分别设计实现喇叭天线的波束偏转，阵列天线产生的涡旋电磁波的波束偏转，以及涡旋电磁波的波束偏转。设计传输相位随着物理尺寸变化具有310度相位变化范围的传输阵单元，基于相位补偿原理布阵为传输阵实现波束偏转，而后加载于可产生轨道角动量涡旋电磁波的阵列天线上方实现涡旋电磁波的波束偏转。最后设计了一种传输相位随着物理尺寸变化具有360度相位变化范围的传输阵单元，将该单元组阵为传输阵实现了携带轨道角动量的涡旋电磁波的波束偏转。
4.基于透明导电氧化物设计人工电磁超表面。设计构造宽带吸波材料，该材料由两层透明的碱石灰玻璃介质板和三层贴片形透明氧化铟锡薄膜组成，该材料可在6.1到22.1GHz的宽频范围内实现高于85%的吸波率，同时具有高光透射性和宽角度入射波稳定性。生长制备透明导电氧化锌纳米结构为下一步基于纳米结构的人工电磁超表面的设计制备作准备。