1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

人工电磁超表面(metasurface)是近几年人工电磁超材料(metamaterial)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人工电磁材料规律的排布成平面阵设计而成，可实现对电磁波波束方向^[1-6]、极化方式^[7-12]、传播模式^[13-17]等特性的灵活有效调控。

人工电磁超表面有多种分类方式。根据单元结构是否有金属地可分为反射型超表面和透射型超表面。反射型超表面由于金属地的存在，通常可近似为全反射，其表面阻抗为纯虚数，是一种电抗表面，介质损耗和金属损耗很小，因此在微波段得到广泛研究。

透射型超表面由于存在较大的介质损耗，通常透射率都比较低，在微波段不具有实用研究价值，因此基于它的研究成果主要体现在光波段。因此本文中采用的是反射型各向异性超表面，反射型各向异性超表面因其底层金属地板的存在而能对入射电磁波形成全反射，因此效率几乎能达到100%。2011年在美国《科学》杂志上发表了一篇通过超表面实现电磁波异常反射和透射的文章^[1]，吸引了科研人员的广泛关注，文献拓展了传统的电磁波折射定律，提出了广义斯涅耳定律，基于该原理利用梯度相位表面实现了电磁波的异常反射和折射。根据广义斯涅耳定律，对于某一种梯度渐变表面，当入射电磁波的入射角度大于某一个临界值时可以实现空间波向表面波的转换。基于这一原理, 2014年东南大学崔铁军课题组的王桂珍提出了一种由正交工字型组成的各向异性单元结构，它只需要单独调节水平方向和垂直方向的工字型长度便可实现两个正交方向上电磁波反射相位的独立调控^[18]，利用该单元结构组成 metasurface可实现多种极化调制的功能器件如极化分离器、极化转换器^[19]和波束偏折极化转换器^[20]。本论文就是在此工作的基础上，研究各向异性超表面在准球面波照射下对多个波束辐射特性与极化方式的独立调控能力。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1. 各向异性电磁超表面多波束辐射与极化调控的基本理论：分析了单波束、多波束的设计方法和极化调控的原理，并在此基础上研究了利用各向异性超表面独立调控多波束极化方式的设计原理，设计分析了中心频率为15ghz工作于ku 波段的各向异性超表面的基本单元结构和馈源。

2. 各向异性正交工字型单元结构分析。为了分析正交工字型单元结构的特性，在商业软件cst microwave environment studio 中建立模型对其进行仿真。首先在cst 中进行时域仿真，模拟平面波电场分别沿x方向垂直入射和沿y方向入射时，得到电场矢量图和切向电场分布图；接下来我们对该正交工字型各向异性单元结构的一些结构参数如电容加载线长度a、线宽w、介质板厚度h进行参数扫描优化，以便在和变化的整个范围内可以获得一个线性度较好、相位变换范围较大的相位曲线，最终单元结构确定a，w，h的参数；最后对电磁波斜入射的仿真在频域求解器中进行对电磁波斜入射的仿真。

3. 馈源设计与分析。采用的是一种新型的波导探头馈源，它兼具喇叭天线和vivaldi 天线的优点，体积很小，剖面低，e面与h面的方向图几乎完全对称，而且在工作频段内增益和波瓣宽度比较稳定，相位中心的变化也很小，是正馈方式下人工电磁超表面馈源的良好选择。针对该波导探头馈源我们在cst中对其进行了仿真，得到其电场矢量图，波导探头馈源在中心频率15ghz上的三维和二维远场方向图，工作频段内不同频点上馈源的二维方向图以及相位中心到馈源口径面垂直距离的变化曲线。