自21世纪以来,随着技术的发展,反射阵天线以其低成本、高效率、易共形和易重构的多重优势已成为天线工程领域研究的热点。完善和创新不同类型反射阵天线的设计方法,不断提升其性能参量指标,以适应更多更广的应用场合具有十分重要的理论意义和工程价值。本文采用理论分析与实验验证并重的研究方法,在频率域和极化域内围绕宽频带、双频段和变极化三个应用方向展开了具体的研究工作。本文首先介绍了反射阵天线的工作原理,常用单元类型,总体设计流程及分析方法;其次按照不同的应用背景和实现技术,分别对几种不同类型的反射阵天线论述了各自的设计要点,最后给出了相应的设计实例及实验结果。本文主要的研究成果和创新点如下:(1)研究了基于相位优化多谐振的宽带技术。针对多谐振的双十字环单元谐振时能量场过于集中,单元损耗高和相位曲线梯度大的问题,本文提出了一种工作在Ka频段的改进型十字环单元。该单元通过将内十字环替换成十字贴片,拉开了内外谐振点间的距离。新单元的单元损耗、相位曲线线性度和工作带宽等特性较传统双十字环单元均有较大的提升。本文设计了一款使用该单元的单层宽带双极化反射阵天线,其1.5dB增益带宽超过18%,较传统双十字环单元提升了50%,性能指标明显改善。(2)提出了一种多谐振技术的改进方法。针对传统多谐振单元对相位曲线线性度和工作带宽提升有限的问题,本文提出了一种融入亚波长和分形几何技术的四螺旋臂加载的闵可夫斯基分形双方环单元,实现了在长0.27λ0的亚波长栅格中420°的线性移相范围。同时,利用等效电路模型法对新单元的结构参数和谐振特性进行了分析和研究。通过使用该方法,在改变基片材料和承载结构时,可在一定频率范围内快速的重构计算出新单元的反射特性,避免了再次进行全波仿真的资源损耗。使用该亚波长多谐振单元的X频段单层宽带反射阵天线相较传统的双方形环反射阵,其1dB增益带宽由9%提升到了38%,性能指标提升显著。(3)提出了一种基于互耦控制的毫米波双频段双极化反射阵的设计及优化方法。Ka/W双频段双极化反射阵天线面临着单元间互耦剧烈,工作频比高和加工装配风险大等问题。针对单层双频单元工作带宽窄,相位曲线梯度高,以及多层双频单元需要引入支撑结构,加工风险和损耗高的问题,本文提出了一种使用层叠十字形贴片和单/双方形贴片的双频嵌套单元组的设计方案。同时,根据该单元组的特性采用单元替换、相位阶梯量化和基于局部分组的单元选取规则优化等互耦控制方法,进一步抑制了单元间耦合的变化,加强了单元组的局部周期性。使用该单元组的Ka/W双频段双极化反射阵天线能很好的满足工程应用的指标要求。(4)提出了一种基于可调波程差的无源变极化反射阵天线的实现方案。针对传统无源变极化反射阵无法有效抑制相位互耦,难以提高极化隔离和不易实现可变极化相位差等问题,提出了一种使用可控的极化倾角γ和相位差?δ实现可变极化反射阵的方案。根据该方案,设计了一种加载延迟空气腔的双层三平行偶极子环单元。分置两层的偶极子环单元分别提供了两个极化的空间补偿相位θx,y,抑制了相位互耦的影响。两层间插入的金属栅格地实现了入射电磁波的正交分解,并且提高了极化隔离。延迟空气腔则提供了可调的波程差,使极化相位差?δ可独立任意调节。使用该单元的反射阵天线通过控制馈源旋转角和层间波程差,在X频段实现了四个典型的极化态:右旋圆极化,45°线极化,左旋圆极化和135°线极化。实验结果证明了该变极化反射阵天线可以收发任意极化态的电磁波。