超表面通过局域微结构的精细设计,可以获得天然材料无法具备的独特电磁性能。基于超表面灵活自由的结构设计和电磁调控能力,本文围绕涡旋波束和高定向波束的生成及其极化控制,展开了一系列应用研究,具体研究内容和贡献如下:（1）基于各向异性超表面实现了点源激励下线极化球面波转变为任意极化的涡旋波。通过改变正交线极化波初始相位差,可以实现对出射波的极化状态控制,并通过对不同空间传播路径上的相位差异进行补偿,最终实现了涡旋单波束的拓扑荷数和极化状态的操纵。（2）提出了基于各向异性超表面的共口径涡旋多波束设计原理,每个波束的指向、极化状态、拓扑荷数可以独立设计,展示了超表面对波束的综合控制能力。由于此设计结构简单、加工成本低、性能优异,在涡旋波极化、空间复用领域具有重要的应用价值。（3）设计了一种基于超表面的折叠反射阵。利用单元结构的极化敏感性对电磁波进行选择性反射和透射,实现了多重折叠的传播路径。仿真和实验表明,该折叠反射阵在9GHz到12.1GHz有宽带匹配效果,在10.8GHz取得最大增益为28.08d Bi,最大口径效率为50.3%。（4）提出了一种新型圆极化折叠透射阵,可进一步降低天线馈源与阵面的高度,实现了宽带、超低剖面、平面化、易于集成等功能,还可以用来产生涡旋波束,在低剖面、高增益天线、圆极化卫星通信和涡旋波通信领域具有重要应用价值。（5）将空时编码超表面与涡旋波结合,提出了一种非线性涡旋波的生成方法。通过改变单元的空间初始相位和时间延迟,实现了任意两阶谐波相位的独立编码和多谐波波束调控,并通过实验验证了理论的正确性。