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天线是无线系统中最关键的部件，传统天线在技术指标和平台适应性方面已经接近设计极限，高性能天线的缺乏已经成为空天无线系统开发的瓶颈难题。近年来，人工电磁材料的出现为新型天线设计提供了可行的实现途径。微带天线、螺旋天线由于低剖面、圆极化等优势在空天无线系统中得到了大量应用，然而微带天线和螺旋天线仍存在天线辐射效率低、串扰严重、窄带等的不足。
为了解决上述天线的问题，本文就亚波长金属边际结构和电磁禁带材料等开展了系统的理论和应用研究，在理论研究的基础上，成功研制了高增益微带天线阵列，混杂背腔超宽带平面螺旋天线、定向辐射天线，为新机理材料天线设计提供了有价值的参考。论文的主要研究内容与结论如下：
(1)亚波长金属边际结构电磁机理及其高增益微带天线阵列设计研究。深入分析了表面亚波长金属结构与表面波相互作用的机理和特性，建立了金属边际结构的表面波散射模型，并利用时域有限差分法对模型的准确性进行了验证。在理论研究的基础上，成功实现了高增益微带阵列天线设计，增大了天线有效辐射面积，在天线尺寸不变的条件下，增益提高了2dB以上。
(2)电磁禁带材料特性及其混杂背腔超宽带平面螺旋天线设计研究。深入分析了高阻抗表面(HIS)和同面紧凑(UCPBG)两型磁禁带材料在水平方向和垂直方向的电磁特性，在理论研究的基础上，利用电磁禁带材料的垂直方向的人工磁导体特性，将电磁禁带材料和金属电导体材料有机组合，提出混杂背腔螺旋天线设计方案，扩展了螺旋天线的工作带宽(高低频点比为10:1)，消除了增益盲点，提高了天线增益；同时具有低剖面的优势。
(3)定向辐射天线设计。研究了一维介质、二维金属条光子晶体结构的“缺陷态”的特性，提出了一种新型的周期性同心金属环结构，实现了对圆极化电磁波聚束，提高圆极化贴片天线的增益，同时减小了天线尺寸。