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随着无线通信技术的发展,通信系统需要处理越来越多复杂的任务,因此须具备大容量、高速率、低损耗等特性。频率选择表面（Frequency Selective Surface,FSS）和线圆极化变换表面作为系统重要组成部件,能保护系统免受带外信号干扰和改变带内信号极化方向,以满足不同的应用需求。这两种周期表面自提出以来发展迅猛,不同类型层出不穷,尤其是基于小型化单元,具有斜入射角稳定性高、栅瓣抑制能力强等天然优势,因此越来越受到研究人员的广泛关注。本文以小型化单元结构为基础,结合全波仿真方法和等效电路法,研究了一系列双频、宽带、宽角等高性能FSS和线圆极化变换表面。论文主要工作内容如下:1、PCB基板作为周期表面结构支撑,其电性能参数直接影响到整个周期表面的性能表现。因此作为研究基础,对PCB基板电性能精确表征具有重要意义。针对传统基于谐振腔法无法宽带测试和测试效率低的问题,本文基于多模基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW）谐振器,提出了一种宽带表征PCB基板电性能方法。具体测试方法是两个封闭的矩形波导经SIW腔上下金属表面刻蚀的耦合缝隙馈电,连续激励起腔内一系列高模式指数的TE10k共振模。该方法能有效控制相邻模式的频率间距,当模式指数k足够大时,频率间距近似等于一个常数。本文根据已知的工作频段,详细地介绍了如何通过综合谐振器和馈电结构的尺寸,实现小且等频率间距测试基板电性能参数方法。首先在Ka波段测试了Taconic TLY-5基板,并通过测试两种不同厚度的基板校准导体损耗。该测试结果与基于微带谐振环的测试结果基本吻合,从而验证了该测试方法的准确性。然后,基于该SIW多模测试技术,在整个W波段准确且等频率间距测试了相同基板的电性能参数。2、基于SIW腔的FSS具有插入损耗小、通带平坦度高、边带选择特性好等优点,但其单元尺寸较大导致斜入射角稳定性差。本文针对这一问题,提出了一种基于四分之一模SIW（QMSIW）腔小型化单元的双频宽角FSS。该周期单元包括一个QMSIW腔以及腔体上下铜层刻蚀的两个“L”型缝隙。该缝隙不仅充当腔体等效磁壁,还提供一个靠近腔体基模谐振频率的传输极点,用来优化FSS的通带特性。与传统基于全模SIW腔的FSS相比,该FSS在保持类似性能和相同工作频率的情况下,单元尺寸减小了65%,第一寄生通带与工作通带之比提高了2.7倍。最后,本文对X波段QMSIW FSS进行了设计、加工和测试。结果表明,该FSS在不同角度和不同极化入射波作用下,性能保持稳定。此外,该小型化单元同样可用于多频且零点可控的FSS设计。3、针对基于SIW腔的FSS因腔体谐振模式和缝隙谐振模式之间相互影响大导致带宽窄的问题,本文提出了一种基于QMSIW腔和环形缝隙复合结构的宽带宽角FSS。该周期单元由一个QMSIW腔以及刻蚀在腔体上下金属表面的两个相同环形缝组成。两个谐振点和一个传输零点分别由QMSIW腔基模、缝隙模式以及二者耦合作用产生。通过精确调节双模配置,该FSS具备宽传输通带和高传输效率。此外,由于传输零点作用,工作通带右侧出现陡降特性。同样基于小型化单元,不同入射角度对该FSS的工作性能影响较小。凭借这种新颖的结构,一些靠近目标通带的高次模被抑制,致使两边寄生通带远离工作通带。为验证该设计的优势,本文对工作在中心频率10GHz的该FSS完成了加工和测试。实验结果显示,在垂直入射波作用下,该FSS的相对1/3dB带宽为34%/49%,与仿真结果非常吻合,并且在60度入射下,相对3dB带宽仍保持23%。4、针对传统基于开口环、天线-滤波器-天线等谐振结构的双频线圆极化变换表面,因其相互垂直子结构之间能量耦合强导致带宽窄的问题,本文引入了高极化隔离度的中心连接型复合单元,并据此提出了一种基于单层介质的双频宽带线圆极化变换表面。该周期单元由两层金属表面组成,并由介质空间隔开。两层金属表面结构相同,均为相互连通的耶稣十字和“I”型偶极子复合结构。当线极化波沿着45度方向入射到该线圆极化变换表面时,本文利用等效电路模型分析得出在K和Ka波段分别生成左旋圆极化波和右旋圆极化波。其工作频段可完全覆盖K/Ka波段卫星通信频段,并具备高转换效率和高极化隔离度。实测结果和仿真结果基本吻合。在正入射下,测试的相对3dB轴比带宽在双工作频段内分别为29%和12%。在20度入射下,测试的轴比大小在低频段保持稳定,在高频段波动幅度较小。5、针对现有的双频宽带线圆极化变换表面因单元尺寸较大导致入射角稳定性差的问题,本文通过把不同极化结构分置于不同金属层,提出了一种基于小型化单元的双频宽带宽角线圆极化变换表面。该周期单元由三层金属表面组成,并由两层介质空间隔开。上下金属层结构相同,均为沿y极化方向放置的两条金属微带线和伴有四个枝节的“I”型微带线复合结构。中间金属层包括沿x极化方向放置的一条无限长金属微带线和两条“I”型微带线。该线圆极化变换表面借助相互垂直的“I”型微带线分别产生的宽传输通带,在两个工作频段内具备宽带响应。与上一个工作相比,该工作因相互垂直子结构被放置于不同金属层,单元尺寸和交叉极化分别减小了60%和10dB。基于小型化单元,该线圆极化变换表面具备高入射角稳定性。为验证设计,本文对K/Ka波段宽带宽角线圆极化变换表面完成了加工和测试。在垂直入射下,仿真/实测的轴比分别在低频段15-20.8GHz（32.5%）/15-21.2GHz（34.3%）和高频段26.9-30.2GHz（11.6%）/27.4-29.8GHz（8.4%）内小于3dB。在45度入射下,测试的相对3dB轴比带宽在双频段仍保持30%和11.7%。6、针对现有的单频线圆极化变换表面宽带和高入射角稳定性不能兼顾的问题,本文通过引入亚波长中心连接型单元和细直微带线等高极化隔离度结构,提出了一种基于单层介质的宽带宽角线圆极化变换表面。该周期单元由顶层金属十字微带线和底层呈中心放置的水平微带线组成。该十字微带线的垂直臂穿过整个金属表面,类似于一个高通滤波器,在高于截止频率范围内能产生宽传输通带。同时,底层的水平微带线可在工作通带外高频段谐振,在低于谐振频率范围内也能提供一个宽带响应。此外,两条垂直放置在十字微带线两边的短微带线可用来增加两个相互垂直极化方向对应的传输系数的相移量,并优化两个传输通带。本文利用等效电路和ANSOFT HFSS软件分析,设计了单元尺寸仅为0.11×0.21个中心工作波长的线圆极化变换表面,该极化变换表面在很宽的工作频段内具备90度相移量和宽角稳定性。实测样品结果显示,在正入射下,仿真/测试的相对3dB轴比带宽高达69%/74%,并且在55度入射下,测试的相对3dB轴比带宽仍达到54%。在考虑插入损耗小于3和2dB的情况下,测试的相对3dB轴比带宽仍分别保持70%和55%。