天线作为无线通信系统末端最为重要的射频器件之一,其性能的优劣往往能够决定系统通信质量的好坏。而具有圆极化辐射特性的天线因良好的旋向正交性,在接收具有相同旋向的圆极化波时,能够有效地消除电离层对电磁波的旋转效应,减弱多径效应和雨雾干扰的影响。尤其是在卫星导航通信系统中,除了对天线提出圆极化波收发信号的要求外,还希望其具有对极化位置不敏感、波束覆盖范围宽以及较高的低仰角增益等特点。在实现圆极化天线宽波束辐射性能的各类技术中,加载介质透镜的方法往往在保证功率波束不变的情况下会恶化天线的轴比波束宽度,亦或者会对天线的半功率波束宽度和轴比波束宽度的作用效果相冲突,即使天线的方向性变平坦,其轴比性能也会受到较大程度的负面影响,天线的轴比波束宽度减小,因而近几年来该技术被较少应用。为了解决以上问题,论文在国家自然基金项目(项目号:51809030)的支持下,对介质透镜加载技术在宽波束圆极化天线中的应用展开了详细的研究,取得的主要成果有:(1)提出了一种新型的介质透镜加载的宽轴比波束圆极化天线。所设计的介质透镜结构为具有锥形空气腔的圆柱介质,能够解决传统微带天线在地平面无限大时3 dB轴比波束宽度窄这一问题,有效地提高了天线的轴比波束宽度。论文首先利用几何光学分析法重点研究了电磁波通过介质时轴比的变化情况,推导出具体的轴比表达式,然后利用三维电磁仿真软件HFSS对天线进行建模和参数分析,并最终加工测试以验证透镜的有效性。研究表明,在中心频点1.6 GHz处,加载介质透镜后天线的3 dB轴比波束宽度由 82°(φ=0°)/81°(φ=45°)/80°(φ=90°)提高至 160°(φ=0°)/170°(φ=45°)/164°(φ=90°),获得了约80°左右的轴比波束宽度增量。天线的轴比波束范围较好地覆盖了上半空间,能够满足卫星导航定位系统的基本要求。(2)提出了一款新型的介质透镜,该介质透镜能够对具有宽3dB轴比波束的圆极化微带天线的轴比性能进一步改进。采用电磁仿真软件进行参数讨论分析,并最终对其加工测试验证可行性。结果表明,研制的介质透镜能够将天线的轴比波束宽度从206°～218°提高至248°～252°,并且天线的功率方向性图几乎不变,最终实现了轴比波束在空间中超宽的覆盖范围。(3)提出了一种新型的具有叠层锥形空气腔的介质透镜结构,该介质透镜能够同时改善传统微带天线在任意地平面尺寸下的半功率波束宽度和3 dB轴比波束宽度。通过介质透镜对不同方向上电磁波的相位延迟影响不同,改变天线在空间中的辐射能量分配使其具有均匀的幅度响应,从而展宽天线的半功率波束宽度。实物测试结果表明加载介质透镜后天线的半功率波束宽度由69°(φ=0°)/69°(φ=90°)提高至170°(φ=0°)/173°(φ=90°),3 dB轴比波束宽度保持在200°以上,天线具有优越的宽波束辐射性能。