在高增益天线中,超表面透镜天线具有许多优点,例如尺寸小,重量轻,易于制造,并且没有馈电阻塞,非常适用于24GHz雷达应用系统。超表面透镜天线可以看作由馈源天线和超表面透镜两部分构成,超表面透镜的性能对整个透镜天线有着主要影响,因此超表面透镜的研究与设计受到广大学者和研究人员的关注。对此本文针对金属超表面透镜天线、全介质超表面透镜天线以及金属与介质相结合的超表面透镜天线展开了研究,主要研究参数包括超表面透镜损耗、透镜厚度和超表面透镜天线带宽、增益、效率、天线总厚度等。论文的主要工作和成果如下:1)利用金属超表面单元的谐振特性,提出了一种在FR4介质基板承载的低成本相位梯度超表面24GHz透镜天线。为了使三层超表面结构实现大于360?的相移范围,设计采用了两类传输相位互补的超表面单元。这两类超表面单元结构相似,实现了398?的总相移范围,且相移线性度良好。所有单元的四角挖去1/4圆孔来减少传输损耗,从而使得大部分具有不同相移控制参数的单元具有大于0.8的传输系数。采用该互补单元组设计了一款尺寸为77mm×77mm的聚焦超表面,透镜厚度为4.76mm,配合一个作为馈源的贴片天线共同组成最终的透镜天线,天线总厚度为45.4mm。仿真和测量结果表明,该透镜天线的峰值增益可以达到20.5dB,与馈源贴片天线相比提高了12.4dB,1dB增益带宽约为4.8%(1.15GHz),辐射效率为83.6%,口径效率为26.1%,E面、H面前后比分别为18.5dB、17.2dB,整体性能良好,可用于24GHz雷达应用系统。2)利用全介质超表面单元的低损耗、超宽带、高效率的优点,设计了一种基于3D打印技术的超低剖面24GHz全介质超表面透镜天线。最高增益达到21.7dB,比馈源贴片天线高了13.6dB,口径效率为33.7%(比金属超表面透镜天线高7.6%),1dB增益带宽约为15.83%(3.8GHz),明显高于金属超表面透镜天线增益带宽,表明介质超表面透镜天线具有高增益带宽的特点。最终透镜天线的尺寸为76.5mm×76.5mm×35.9mm,天线总厚度小于金属型超表面透镜天线,并且天线性能良好,可利用成熟的3D打印技术制造,工艺简易低廉,满足24GHz雷达天线的实际应用。3)结合金属超表面单元的谐振特性可以对相位具有良好调控的优点以及全介质超表面单元低损耗、超宽带、高效率的优点,设计了一种基于金属结构和3D打印介质结构相结合的混合式低剖面24GHz超表面透镜天线。为了减少金属部分带来的高损耗,同样利用第二章中单元组传输相位互补的思想设计了一个传输相位互补的相似单元组来减少金属部分的层数。单元组中两类单元均由金属部分和介质部分构成,其中金属部分仅设计在一层双面覆铜板上,介质部分均由简单的介质柱构成,两部分结构共同控制传输相位,实现了420?的总相移范围(明显超过360?的相移覆盖要求),且相移线性度良好。最终透镜天线的尺寸为65mm×65mm×31.4mm,超表面透镜最高厚度为8mm(其中金属部分厚度为1.6mm,介质部分厚度为6.4mm),与金属型超表面透镜天线相比,减小了超表面透镜阵面尺寸,降低了天线总厚度,同时也降低了介质部分单元的厚度,从而进一步减低了成本。峰值增益可达20.3dB,口径效率为33.9%(三种设计天线中最高),xoz面、yoz面前后比分别为22.9dB、19.8dB。1dB增益带宽约为9.7%(2.32GHz),相比于金属超表面透镜天线增益带宽提高了约5%,证明了加入介质来控制部分相移可以有效提高增益带宽,这种混合式结构为超表面透镜天线的研究与设计开拓了新的途径和方法。