近年来,超构表面由于其强大的电磁散射调控能力,引起了物理学界和工程界的极大兴趣。通过在二维表面中引入一系列人工设计的亚波长结构,能够在一定波长范围内对电磁波的幅度和相位进行调制,从而实现对从微波到可见光频段的反射和透射波的完全控制。基于超构表面设计的一系列电磁散射调控器件,可以实现电磁散射特性的自由调制,并实现许多有趣的功能,如电磁吸波,光束聚焦,偏振转换,波束偏转及散射,涡旋波束产生和全息摄影等等。超构表面器件相对于传统电磁散射调控器件的一个重要优势就是亚波长结构的设计自由度,使得将多种电磁散射调控功能有机的集成到同一个超构表面器件中成为可能。本文从亚波长结构的设计和集成入手,针对几个传统器件难以解决的应用问题,探索实现多功能电磁散射调控器件的设计思路。论文的主要研究内容包括:1.设计了一种多功能超构表面器件来实现带内高效透波和带外宽带雷达散射截面缩减功能,频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)层允许超构表面在3.9GHz左右实现高效透波,同时保持了顶层位相调制结构所需的全反射特性,通过特殊的0和π反射相位单元的分布,可以降低8-16GHz频带范围的后向散射能量。与以往提出的单一的雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)缩减功能器件相比,我们的多功能超构表面能够将透波特性和低RCS特性结合起来,适合作为低可探测性天线罩。柱面模型的仿真和实验结果验证了该多功能超构表面器件对于曲面应用环境的适用性。此外,我们还通过数值仿真计算证明,在不影响RCS缩减性能的情况下,通过改变FSS层的金属结构,可以在通带内进一步集成极化转换等特殊的电磁调控功能。这一概念可以为探测器低散射技术的发展铺平道路,在天线罩领域具有重要的潜在应用。2.通过综合两种电磁散射调控功能提出了一种宽带低散射超构表面。利用几何相位单元和阻抗型频率选择表面(Resistive Frequency Selective Surface,RFSS)膜层构造了该超构表面器件,分别在不同频段引入了波束散射和电磁吸收功能从而实现了宽带RCS缩减。通过对远场散射方向图、电场分布和功率损耗密度的研究,进行了详细的物理机理分析。13-21.5GHz频段RCS的缩减主要是由于几何相位单元的位相调制实现的波束散射,而RFSS膜层则通过吸收入射电磁波在21.5-31.5GHz的频段范围内起到了RCS缩减的主导作用。模拟仿真和实验测试结果表明,我们的超构表面能够有效地将后向散射能量从13~31.5GHz降低10db,具有良好的角稳定性和极化稳定性。此方法可以应用在类似的波束散射超构表面中通过引入RFSS实现RCS缩减带宽大幅提高。与传统的单一RCS缩减机制相比,两种电磁散射调控功能的应用为实现超宽带或多频段RCS缩减器件提供了更大的自由度,在某些特定领域有着潜在的应用前景。3.提出了一种用单层超构表面在两个不同的波段实现不同轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)模式的涡旋光束的方法。结合谐振相位调制结构和几何相位调制结构的超构表面单元被用来构建这个涡旋超构表面器件。当线极化波入射到超构表面上时,具有螺旋相位分布的谐振相位单元可以在5.2GHz实现拓扑荷为+1的涡旋波束。在频率为10.5~12GHz的左旋圆极化波入射下,超构表面内的几何相位单元产生拓扑荷为+2的经偏转后的涡旋波束。仿真和实验结果表明,在上述两个频段范围所提出的单层超构表面具有良好的性能。由于所有的金属亚波长结构都印刷在单层介质基板上,因此在要求器件厚度小,成本较低的应用环境中,这是一种方便有效的设计方法。