模式转换和定向辐射是微波应用系统中的核心技术。随着微波应用系统在军事、科学研究和现代通信等方面的飞速发展,传统的微波模式转换和定向辐射技术已无法满足当前小型化、高效率、新能力等系统应用方面的需求,新型微波模式转换和定向辐射技术已成为业界研究的焦点。近年来,基于衍射周期结构的二维电磁材料具有体积小、剖面低、加工简单、能够自由控制电磁波的相位和极化等优势,在理论上具备实现模式转换和定向辐射的能力。将衍射周期结构与模式转换、定向辐射技术相结合,探索具有紧凑化、高效率的新型变模与辐射器件的技术可行性成为本论文关注的重点。本文基于二维衍射周期结构的电磁传输和模式转换理论,对衍射周期结构变模天线技术进行了深入细致的理论和仿真研究。本文的主要研究内容包括以下几个方面:1.衍射周期结构的电磁传输理论研究。对衍射周期结构的电磁传输理论进行了研究,详细分析了衍射周期结构的电磁传输特性、单元类型和单元移相特性等,并对单元进行了设计,为基于衍射周期结构的变模天线技术研究奠定了理论基础。2.双模复用轨道角动量模式转换天线研究。结合衍射周期结构的电磁传输理论,通过调整透射阵面上不同单元的相位补偿值,初步实现了对辐射波束的波形控制,完成了由馈源发出的准高斯模式到±2阶轨道角动量模式的转换,天线工作于中心频率35GHz时,增益为18.3dBi。3.基于相位修正原理的TE₀₁模式转换天线研究。利用两种不同的相位修正方式,分别提出了基于阶跃型相位修正原理的TE₀₁模式转换天线和基于连续型相位修正原理的TE₀₁模式转换天线,并对这两种天线的仿真性能进行了对比和分析,两种天线均工作于中心频率35GHz处时,增益分别为15.9dBi和16.7dBi。4.基于极化修正原理的TE₀₁模式转换天线技术研究。以极化修正原理为基础,提出基于极化修正原理的TE₀₁模式转换天线,该天线工作于中心频率35GHz处时,增益达到18.7dBi,单一线极化模式的极化效率为89%,实现了微波的模式转换和定向辐射,为微波的模式转换和定向辐射提供了一种新的技术途径。