新型人工电磁材料(Metamaterials)是一种由人工设计的远小于电波长的单元结构进行周期或非周期性排列构成的复合材料,它通过调节单元结构的形状、尺寸可以获得自然媒质所不具备的奇异电磁特性,从而实现对电磁波的灵活调控。人工电磁超表面(Metasurface)是近几年新型人工电磁材料研究的最新发展方向和研究热点之一,它是一种超薄的二维阵列平面,通过把亚波长尺寸的新型人工电磁材料有规律的排布成平面阵设计而成,可分为反射式和透射式两种基本类型,在微波频段,相比于透射式人工电磁超表面,反射式人工电磁超表面效率很高,几乎达到100%,因此,在本文中我们选择反射式人工电磁超表面进行研究。在人工电磁超表面单元结构的选取上,本论文选取了一种十字交叉的“工”字型结构,通过调节水平和垂直两个正交方向上“工”字型的尺寸可以实现对水平极化波和垂直极化波的分别独立调控。本论文将传统的多波束平面反射阵天线的设计理念与各向异性超表面有机结合,实现对水平和垂直极化多个波束辐射方向和相位的分别独立调控,并且可以将两个正交极化方向上的辐射波调控到同一个辐射方向,并通过其不同相位差的设计,分别独立调控每个波束的极化状态,实现对多个波束极化状态的调控。在此基础上,本论文设计实现了工作于Ku波段的三款具有不同功能的各向异性电磁超表面,并进行了实验验证,实验结果、仿真结果与理论设计吻合的良好,验证了该各向异性超表面对多个波束极化方式的独立调控能力。论文的主要研究内容包括以下几个方面：(1)研究了基于各向异性电磁超表面多波束辐射与极化调控的基本原理和设计方法。各向异性电磁超表面可以对水平极化和垂直极化电磁波的相位进行独立调控,结合多波束的设计方法可以实现对这两个正交极化方向上多波束的波数和辐射方向的分别独立调控,在此基础上将水平极化和垂直极化辐射波束调控到同一个辐射方向上,通过控制两个正交极化方向上的相位差,可实现对每个波束极化状态的单独调控。(2)研究并分析了各向异性电磁超表面基本单元结构的电磁特性,介绍了具有相等E面和H面方向图的波导探头馈源。本论文选取一种十字交叉“工”字型结构作为各向异性电磁超表面的基本单元,通过控制水平和垂直方向“工”字型结构的尺寸实现对水平极化和垂直极化电磁波辐射相位的分别独立调控。另外,本文选取了一款具有相等E面和H面辐射方向图的同轴波导结构作为馈源,具有体积小、剖面低、方向图圆对称好、相位中心稳定、增益稳定的优势。(3)设计了三款具有不同极化调控功能的各向异性电磁超表面,并进行了相应的实验验证。本论文研究并设计了一款二波束极化调控各向异性电磁超表面和两款三波束极化调控各向异性电磁超表面,并对每个波束的极化状态进行了独立调控与设计,测量结果与仿真结果非常吻合,证明了各向异性电磁超表面对不同极化电磁波分别调控的能力,且能够实现对各个波束极化状态的分别独立调控。