电磁波传播特性的调控在现代通信、信息处理系统、传感及监测、电磁成像、雷达及深空探测等技术中起到重要作用,已广泛应用于各个领域。近年来,新型人工电磁表面的提出及应用突破了现有传统媒质电磁参数的局限性,进一步加速推进了电磁波调控技术的发展。新型人工电磁表面是一种二维形式的人工电磁材料,是由结构尺寸远小于工作波长的单元在二维平面内排列构成,它大大缩小了电磁媒质的厚度尺寸,而其具备的奇异电磁特性促使电磁波器件的发展更加趋于小型化、平面化、共形化、多样化,丰富和拓展了人们对电磁波调控的手段和方法,在推动整个电磁波领域研究的发展中起了重要作用,从而成为电磁波及其相关交叉学科的研究重点和热点。随着科学研究的深入,人工电磁表面的研究从初期的理论探索逐渐发展为当前的理论与应用并重、加速推进应用化的局面。在人工电磁表面器件得以应用并备受青睐的同时,研究人员也在探寻多功能、可重构、可调型电磁表面的设计,以期待其能够适应更为复杂多变的电磁环境和电磁调控的需求。目前,可动态调控型人工电磁表面已逐渐成为未来该领域内研究的难点和重点。本文从应用的角度出发,以理论为依据,提出了新型动态可调控、可重构人工电磁表面的设计方法,并成功将其应用于电磁聚焦透镜、极化器、非对称传输等方面。同时,针对特定的应用环境,提出并设计了多种无源式人工电磁表面,完成了宽带低散射数字编码表面、单向聚焦透镜、双功能低剖面天线等器件的研制与实验验证。本文的主要内容和贡献概括如下:1.针对新型动态可调控、可重构人工电磁表面的良好应用前景,创新性的提出了可重构惠更斯人工电磁表面单元的设计方法,并将其应用于高效电磁聚焦透镜的设计中。该透镜不仅可以实现单焦点动态可调控的功能,更可实现更为复杂的多焦点、任意焦点的动态形成,且具有聚焦性能好、动态调控响应时间快、单元相位响应连续可调等优点。2.通过在传统的人工手征电磁表面结构中加入可调控元件的方式,研究了人工手征结构对电磁波传播特性的动态调控能力。通过加载二极管的方式,可调型人工手征表面可实现电磁波非对称传输特性的连续动态调控。此基础上,通过加载光栅结构的方式,明显提升了可调手征表面的性能。3.通过引入几何相位的概念,提出了几何相位编码人工电磁表面,使编码人工电磁表面的设计及优化过程得到进一步简化。在利用几何相位型编码表面实现电磁波远场辐射波束调控的基础上,着重研究了该编码表面在抑制背向散射电磁波中的宽带性能。另外,创新性地提出了视觉透明型微波电磁表面的概念,其在具有微波电磁波调控能力的基础上,还可以适用于视觉观察窗口等应用,可作为对传统金属/介质基人工表面的功能补充和提升。4.研究了新型人工电磁表面在天线系统中的应用。优化设计惠更斯人工电磁表面进行相位补偿,有效改善了普通微波贴片天线的增益和带宽。另外,利用二维异性单元对不同极化电磁波响应不同的特点,实现了高定向波束与低背向散射功能的集成化设计。5.在传统的手征人工电磁材料中,引入相位梯度,提出了相位梯度型手征人工电磁表面的概念。通过优化设计,实现了对某一特定极化电磁波的单向异常折射、聚焦等功能。