电磁超材料是一种由周期或非周期排布的亚波长单元组成,具有超常电磁特性的人工结构。超材料的出现使人们可以按照意愿控制电磁波的传播路径。电磁超表面是二维形式的超材料,通过调节波前相位和幅度实现对波束的调控,它有效地克服了超材料体积庞大、设计复杂、损耗高和频带窄的缺陷,越来越多地受到研究者的关注。本文主要研究了电磁超表面在波束调控中的应用,主要内容和创新点如下:首先,利用超表面透镜实现对口径场幅度的调控。针对传统矩形喇叭天线E面副瓣过高的问题,我们提出了两种超表面透镜。通过在喇叭内部加载超表透镜的方式将口径面电场幅度由均匀分布调制成余弦分布,在不增加天线外部体积的情况下实现了对副瓣的抑制,设计出低副瓣矩形喇叭天线。仿真和实验结果表明:E面副瓣电平得到有效的抑制,在中心频率12 GHz处,副瓣电平低于-45dB。然后,利用超表面结构实现对极化的调控。针对平面反射阵天线存在馈源遮挡和剖面较高的问题,我们提出一种折叠反射阵天线。它由线极化馈源、主反射面(反射阵)和副反射面(极化栅)组成,其中,构成主反射面的极化旋转超表面能够同时实现90°极化旋转和相位补偿。由于光路在阵列内部发生多次折合反射,因此天线的整体剖面很低;对馈源和阵面一体化设计,解决了传统反射阵存在的馈源遮挡的问题。实验结果表明:3 dB增益带宽为27.7-31 GHz,峰值增益为27.3 dB,具有宽带和高增益的特性。最后将有源器件和超表面集成,实现了对电磁波的实时动态调控。针对传统相控阵天线馈电网络复杂、造价高昂等问题,提出一种一比特电调可重构超表面单元,通过控制PIN二极管的通断实现180°的反射相位差,并且两种工作状态的反射损耗均在1 dB以内。随后我们设计了基于FPGA的直流控制电路和14×14电调可重构反射阵,仿真和实测结果较为一致,构造出的电控波束扫描天线能够在XOZ面实现-30°到+60°,在YOZ面实现-60°到+60°的连续电控扫描,峰值增益为19.2 dB,最大口径效率为25.33%。