超宽带是具有极宽频谱资源的无线电技术,主要用于短距离高速率通信、图像传输、无线传感器网络等应用领域,而天线作为无线系统的能量转换装置,其尺寸的大小和性能的优劣对整个系统起着重要的影响作用。当超宽带技术应用于便携移动系统的终端时,则要求天线具有低剖面、小尺寸、易于与其他电路集成等特点,因此研究小型化和集成化的超宽带天线具有重要意义。为了获得好的辐射性能,通常超宽带天线以低介电常数材料作为介质基片,可天线的平面尺寸却与介电常数成反比关系,所以天线小型化一直是设计过程中的瓶颈难题。本论文研究了基于高介电常数硅材料设计小型化超宽带天线的方法,所提出的硅基天线具有非常紧凑的平面尺寸,同时硅片也是射频集成电路常用的基底,可将硅基天线与系统功能电路集成为一体,减少分离元件间的功率损耗,提高天线集成度。为了改善高介电常数硅基天线的辐射性能,本文将光子晶体结构用于天线设计中。由于光子晶体是一种介电常数周期分布的人工电磁材料,具有独特的频率带隙特性,能有效抑制硅基天线的表面波损耗。MEMS技术属于三维的微机电系统制造技术,具有微型化、集成化和批量生产等主要特点,本文将MEMS技术作为硅基天线的加工方法,保证了空腔、通孔等精细复杂微结构制作的精确性和可靠性。本论文主要研究用于小体积无线装置中的超宽带天线,利用天线技术、人工电磁材料技术和MEMS技术的多学科交叉融合,研究了新类型天线的设计和实现方法,具体的研究内容为以下几个方面:首先,基于传输线模型理论研究了平面单极子超宽带天线的设计方法,通过对矩形辐射贴片和共面波导馈电结构的改变,使天线具有了宽阻抗匹配特性。为了避免现存的一些窄带系统对天线的干扰,提出了具有双陷波特性的超宽带天线设计方法。利用天线背面附加两个偏T形寄生单元和在辐射贴片上开窗的联合方法,使陷波单元在相应频段内分别发生谐振现象,结果表明提出天线对WLAN和WiMAX频段的窄带信号起到了有效的抑制作用。其次,为了提高超宽带天线的小型化程度,采用高介电常数的硅材料作为基底,提出了硅基背腔式超宽带天线的设计方法。在天线辐射贴片的正下方刻蚀矩形腔体,形成硅和空气的混合结构,以此降低等效介电常数,减小硅基底的表面波损耗。通过MEMS工艺步骤的具体设计,主要利用光刻、蒸镀、ICP腔体刻蚀等工艺实现了硅基MEMS天线的制作,频域和时域结果表明小型化的硅基MEMS天线在超宽带频段内具有良好的全向辐射特性,并且经由天线辐射的响应信号与输入信号之间具有较高的相关性。再次,为了提高超宽带系统的传输速率和通信可靠性,以硅基背腔式天线作为MIMO天线单元,提出了二单元和四单元MIMO超宽带天线的设计方法。在小尺寸天线面积的约束下,为了减小单元天线间的互耦影响,设计了一个具有单负超材料特性的MEFSS单元结构,在整个超宽带频段内具有带阻滤波的作用。将此MEFSS单元纵向排列组成一维光子晶体结构,并放置于二单元和四单元MIMO天线中,由于天线工作频段与MEFSS单元的频率带隙范围相同,因此有效的降低了相邻和相对天线间的耦合系数,提高了MIMO超宽带天线的隔离度。再次,为了提高硅基天线的辐射效率,将以正方晶格和三角晶格周期排列的光子晶体结构用于硅基天线中,提出了光子晶体超宽带天线的设计方法。因为光子晶体能带结构中的带隙特性可以减少硅基底对电磁波的吸收,有效抑制天线表面波损耗,从而增加电磁波向外部空间辐射的能量。利用MEMS技术的光刻、蒸镀、ICP通孔刻蚀和键合等主要工艺,制作实现了具有众多微小通孔结构的光子晶体天线,结果表明基于二维光子晶体结构的天线设计方法能显著扩展天线的工作带宽。最后,为了抑制不相干信号对光子晶体天线的干扰,基于光子晶体缺陷波导的缺陷带特性,提出了光子晶体陷波天线的设计方法。当光子晶体的晶格周期被破坏而成为光子晶体波导后,电磁波会沿着缺陷方向传播,因此天线结构中的缺陷波导会改变硅基底的表面场分布,并使能量集中于缺陷位置处,而表现出谐振单元的陷波功能。通过对正方晶格和三角晶格缺陷波导的合理设计,使光子晶体天线分别实现了对X波段和Ku波段信号的陷波抑制作用。