本论文深入研究了Vivaldi端射天线结构、辐射机理、增益提升及小型化机理,探讨了新型人工电磁超材料的设计原理,并将本文提出的一种新型电磁超材料应用在Vivaldi天线中,以达到提高天线增益等目标。本文完成工作有以下几个方面:1、简要阐述了无线通信系统的研究背景和发展现状、超材料的研究现状,以及超材料在Vivaldi端射天线中的发展应用。2、详细介绍了超材料的相关理论和基本性质,分析了超材料实现零折射率的基本原理。同时介绍了天线的相关理论和部分特性参数。3、利用Ansoft HFSS 16软件构造传统的对蹱Vivaldi天线(antipodal Vivaldi antenna,AVA),并同时对能够影响该AVA天线性能的多个参数进行优化以及对比分析。最后,基于设计的AVA天线模型进行带缺口的AVA天线的设计,并对仿真结果进行优化和分析。4、本文提出了一种新的改进型W字型超材料单元(Modified-W-Shaped Metamaterial,MWSM),通过电磁仿真软件对其进行仿真分析,利用Matlab软件提取参数值反演得到折射率、介电常数和磁导率的曲线图,并分析结果。将所设计的零折射率超材料加载到带缺口的AVA天线中,构成复合型对蹱Vivaldi天线(Composite Vivaldi antenna,CVA),并分析对比仿真结果。结果表明加载MWSM阵列的CVA天线的增益比传统AVA天线的增益增加了4.02dB,3D辐射图中的E面和H面的3dB宽度分别减小了31°和30.02°。5、绘制天线的CAD模型并进行实物加工。使用矢量网络分析仪对实物进行测试,然后将original软件绘制的测试结果与模拟结果进行对比分析。最后,使用微波暗室对实物进行2D方向图测试。最终通过测试和模拟结果证明了本文所提出的方案的可行性。