相控阵技术可用于控制天线阵列的波束指向,相比传统的机械扫描方式,阵列波束的扫描速度更快,精度更高。随着相控阵技术在目标搜索、识别、跟踪等方面的广泛应用及发展,具有宽角、低副瓣扫描特性的相控阵天线成为天线领域研究的焦点。为了实现相控阵天线的宽角、低副瓣扫描特性,本文把人工电磁材料应用到天线的设计中,研究并分析了加载人工电磁材料的天线单元特性及阵列的扫描特性。移相器是相控阵天线中的重要器件。移相器的特性会影响相控阵的性能。传统的基于铁氧体、变容二极管及开关型移相器,存在体积大、响应速度慢、功耗大、插入损耗大、成本高等问题。而液晶材料在高频段(大于10GHz)的物理特性稳定,损耗小,且液晶的介电常数在偏置电压的作用下可发生变化。基于液晶材料的移相器,由于具有结构设计简便、损耗小、相位可连续调节、成本低等优势,成为近年来研究的热点。基于以上研究背景,本文把一种蘑菇型结构的负介电常数传输线(Epsilon Negative Transmission Line,ENG TL)单元用于天线的设计中,来降低互耦;还将一种支持表面波传播的高阻抗表面结构用在天线的设计中,以展宽天线的波束宽度,实现相控阵天线波束的宽角扫描。为了实现相控阵天线的电扫描特性,把液晶材料用在移相器的设计中。具体工作总结如下:第一、基于ENG TL结构的天线设计。ENG TL结构用在天线单元的设计中,可以有效降低阵列环境中天线间的互耦,减小天线的后向辐射。但是加载ENG TL结构,会使天线单元的尺寸增大,在阵列环境中不得不增大阵元间距,导致阵列出现栅瓣。而本文通过在天线及ENG TL结构中合理开槽,实现了天线单元的小型化,将其应用于相控阵中,增大了阵列的扫描范围,再结合阵列综合算法降低了阵列扫描过程中的副瓣电平。最后通过在中心辐射贴片开槽,产生两个相位差90°的简并模分离单元,实现了天线单元的圆极化辐射。第二、基于高阻抗表面的天线设计。以经典的蘑菇型结构为基础,设计了矩形结构的蘑菇型单元,并通过开缝实现了结构单元的小型化,分析了单元结构参数对频率带隙特性的影响。在带隙频段外,根据这种结构支持表面波传播的特性,设计了宽波束天线单元并组成阵列,通过控制每个阵元的馈电相位,实现了阵列的宽角扫描。第三、基于液晶材料的移相器设计。基于液晶材料的介电各向异性,在传统微带线移相器结构的基础上,把液晶材料作为微带线的填充介质,设计了一种相移量可调的微带线移相器。分析了影响微带线移相器性能的各种结构参数,最终设计的微带线移相器具有较大相移量,低插入损耗,小型化的特性。在需要较大相移量的情况下,微带线移相器的尺寸会增大。而反射型移相器,通过合理设计反射负载的结构,可以降低移相器的尺寸。传统的加载开关元件或变容二极管电抗网络的反射型移相器,工作频率升高时,插入损耗增大。而以液晶材料为介质的负载电抗随着液晶介电常数的变化而改变,并且工作频率升高时,液晶的物理特性保持稳定,损耗也更低,取代传统的变容二极管或开关元件,可以有效提高移相器的性能。