新型人工电磁表面是一种二维的新型人工电磁材料,与传统的人工电磁材料相比,利用人工电磁表面设计得到的新型器件具有更薄的厚度、更小的损耗、更低的加工难度,并且易于与传统的微波以及光学系统相集成,这些特点使得人工电磁表面成为近年来的研究热点。人工电磁表面能够在分界面引入相位突变,进而实现对电磁波传播方向的任意控制,这一设计思想不同于三维的人工电磁材料对电磁波的控制,具有灵活方便的优点,可以用来设计超薄的高性能电磁波控制器件。在此基础之上,多种基于人工电磁表面技术的新型器件被提出,如人工隐身表面、各种新型高性能透镜、极化调控表面、低剖面新型天线以及超薄吸波器等。本文以人工电磁表面对电磁波传输特性(相位、幅度、极化)的控制为目标,对人工电磁表面单元结构及其在微波器件设计中的应用进行了研究。本文的主要工作如下:(1)研究了不同电磁参数在表征人工电磁表面电磁特性时的区别,分析了等效表面电磁极化率表征人工电磁表面电磁特性时的优点。推导了表面电磁极化率与人工电磁表面反射/透射系数之间的关系。对现有的人工电磁表面综合方法进行了总结,提出了一种表面电磁极化率法综合人工电磁表面的简化求解方法。并且分析了表面电磁极化率综合法与惠更斯人工电磁表面设计法之间的关系。(2)提出了一种新型的小型化惠更斯单元结构。该单元结构紧凑、厚度薄,同时包含有电偶极子与磁偶极子结构,可以实现对人工电磁表面表面电流以及磁流的同时调控,进而实现较薄的厚度以及较高的控制效率。并且该单元结构的电偶极子结构与磁偶极子结构之间的耦合几乎可以忽略,可以极大地简化设计过程。之后利用该单元结构设计实现了一款新型超薄波束偏折透镜。(3)提出了一种新型各向异性的惠更斯单元结构。该单元同样具有结构简单、厚度薄的优点,并且同时包含有两个正交的电偶极子结构与两个正交的磁偶极子结构,能够实现对人工电磁表面正交的电流和磁流的任意控制。利用该单元结构,设计实现了一款工作于微波频段的新型超薄极化分束器,实现了不同极化电磁波的大角度分离。之后利用该单元结构设计了一款工作于微波频段的低剖面天线罩,该天线罩能够将不同极化的电磁波束偏折向同一方向。该人工电磁表面单元结构的优良特性使得其在微波及光学领域具有很好的应用前景。(4)提出了一种利用惠更斯人工电磁表面实现对电磁波反射或透射幅度相位同时控制的方法。利用该方法实现电磁波幅度相位的控制具有简单方便的优点,能够极大地拓展了惠更斯人工电磁表面对电磁波传输特性的控制能力。之后,利用惠更斯单元结构实现验证了该方法的灵活性及其对电磁波幅度和相位的控制能力,并设计了两款超薄透射型多阶衍射光栅。利用这一方法对电磁波幅度相位的控制能力,可以设计实现更加复杂的电磁波器件,如全息成像系统等。(5)提出了一种“I”形多模反射型超宽带极化转换单元结构。该单元结构4个不同的电谐振与磁谐振模式,进而实现了超宽带的反射电磁波极化转换。反射交叉极化电磁波的幅度和相位能够通过调整单元结构的尺寸与旋转角度分别控制。之后,利用该单元结构设计了一款工作于微波频段的超宽带反射型多阶衍射光栅,证明了该单元结构对反射电磁波幅度相位的控制能力。(6)提出了一款能够实现超宽带RCS缩减的极化不敏感人工电磁表面。该人工电磁表面由超宽带“I”形单元结构构成,将编码人工电磁表面与随机表面的概念相结合,实现了7.9-20.8GHz工作频带内10dB以上的RCS缩减,并且在大角度入射的情况下保持良好的RCS缩减效果。