无线通信系统作为构筑万物互联的基石,在智能驾驶、智慧工厂、无人仓储管理等领域得到越来越广泛的应用,天线更是所有无线系统最重要的组件。在实际工程中,这些全新的应用场景对天线性能提出了更加严峻的挑战,迫使天线从单纯的空间换能器向多功能,高集成度,可规模化生产的智能平台转变。由于传统天线结构的性能已经难以满足不断涌现的新需求,研究人员开始在交叉学科寻求解决方案。超材料在电磁领域的成功应用为天线设计开辟了新的方向。超表面作为平面形式的超材料,作用在天线中不仅可以拓展带宽、降低传输损耗、提高阵列隔离度,还能在无源天线阵列上实现多波束,频率扫描,通道复用等附加功能。因此超表面天线的研究对未来无线通信技术发展具有深远意义。论文重点关注超表面对天线的辐射性能增强,并做出了下述四方面研究工作:1.研究并设计了应用于WIFI通信的钻石形低剖面宽带天线。文中利用特征模理论对一种TM30模式矩形单元超表面天线的辐射原理和模式激励进行分析。在矩形超表面的基础上,通过中心槽缝引导同频正交模式合成,设计了一种C波段小型化超表面宽带天线。再通过附加谐振单元对C波段小型化天线进一步改进,得到了钻石形超表面天线。天线的实测相对带宽50%,带内最高增益9.8d B,验证了天线的宽带高增益性能。2.提出了一种V波段间隙波导毫米波天线阵列。文中基于集总传输线模型对间隙波导的工作原理进行分析,利用短钉周期单元和Mushroom单元分别设计了脊型间隙波导和倒置微带型间隙波导。通过对比不同传输结构在V波段下的插入损耗,证明了间隙波导传输线的低损耗性能。V波段天线阵列馈源为WR-15波导,能量通过转换结构馈入间隙波导功分网络从而激励宽带超表面天线单元组成宽带天线阵列。天线阵列实际测试的相对带宽29%,最大增益11.8d B。3.研究了一种应用于阵列天线的解耦表面。该结构基于场对消解耦原理,通过解耦表面的金属贴片单元控制天线近场区域的辐射能量产生干涉信号,与其他路径的耦合能量在相邻单元等幅反相抵消,从而提高天线阵列隔离度。文中以四单元线性阵列和六单元平面阵列为例设计了两种解耦表面,通过提取反射能量的幅度和相位,研究了解耦表面参数对于中心单元隔离度的影响,并与未加载解耦表面的阵列进行对比。仿真结果证明阵列解耦表面在提供16d B隔离度改善的同时,能够保留天线原有的辐射性能。4.研究仿真了一种基于极化转换表面的圆极化天线,该结构将线性极化天线的激励转换为圆极化辐射,为实现圆极化天线提供了新的设计方法。