摘要
现代无线通信系统的不断发展对天线的电性能指标提出了越来越严格的要求。电磁超表面具有强大的电磁波调控能力和极化转换能力，可以应用于法布里珀罗谐振腔天线、卡塞格伦天线和折叠透射阵天线中实现波前调控、指向调控和极化调控的设计，已经获得了研究学者们的广泛关注并且逐渐成为天线领域的研究热点。论文结合国家自然科学基金项目进行选题，以电磁超表面为中心，对几种基于电磁超表面的新型天线进行研究。论文具体研究成果如下:1、将一种具有空间角度滤波功能的超表面引入法布里珀罗谐振腔天线的设计中以实现双波束频扫性能。该超表面上的非对称双开口单元可以使电磁波的辐射指向随着谐振频率变化而变化，与此同时辐射波束从初始的笔形波束分裂为双波束。利用一个缝隙耦合阵天线作为该法布里珀罗谐振腔天线的激励源以实现天线在不同方向的波束扫描，最终实现了在10.50GHz-11.25GHz的频率范围内42°和9°的二维双波束扫描性能。本设计通过将具有空间角度滤波功能的超表面与缝隙耦合阵天线集成在一起实现法布里珀罗谐振腔天线的波束可调，为实现可重构法布里珀罗谐振腔天线提供了一种有效的方法。 2、将一种具有高效线-圆极化转换功能的分波超表面引入法布里珀罗谐振腔天线的设计中以实现双波束双圆极化辐射。该分波超表面由项层梯度排列的超表面、中间带孔的金属地板以及底层周期性排布的超表面组成，并且顶层和底层的每个超表面单元通过横穿金属地板的一个金属通孔连接。这个法布里珀罗谐振腔天线能够将来自馈源的线极化电磁波转换并分裂成高定向的左旋圆极化波束和右旋圆极化波束。另外，这个设计还可以同时调控电磁波的极化和轨道角动量以产生双涡旋波束双圆极化辐射。本设计通过将具有高效线-圆极化转换功能的分波超表面集成到法布里珀罗谐振腔天线中同时实现波束分裂和线-圆极化转化功能，为构建功能强大且具有特定辐射特性的法布里珀罗谐振腔天线提供了一种有效的方法。 3、与传统的卡塞格伦天线相反，将超表面透镜引入到卡塞格伦天线的设计中作为主面并与副反射面相结合形成透射型卡塞格伦天线。与传统的卡塞格伦天线相比，由副反射面反射的电磁波将直接通过超表面透镜传输，因此可以消除副反射面的遮挡，并产生高定向性低副瓣的辐射波束。另外，当对超表面透镜的相位补偿进行特别的设计，该卡塞格伦天线还具有实现波束赋形的能力。最后，这个卡塞格伦天线被加工制造，并通过实验证明了该天线产生高定向性波束和波束赋形的能力。 4、将两种能够同时控制电磁波极化状态和波前的极化调控超表面引入卡塞格伦天线的设计中以实现高增益辐射。由馈源辐射的线极化电磁波经过副面反射和发散后，通过主面调控形成高定向性波束同时被转换为正交线极化电磁波，这个正交线极化电磁波可以从副面透射出去并且不存在任何的遮挡问题。如果对这个副面的相位补偿进行合适的设计，这个卡塞格伦天线将拥有更为紧凑的物理结构。另外，当对副面进行改进形成天线罩结构时，该天线还可以获得更高极化纯度的辐射波束。本设计将两个极化调控超表面集成到卡塞格伦天线的设计中以实现高定向性辐射波束，为构建功能强大的超表面天线提供了一种有效的方法。 5、将一种涡旋超表面透镜引入折叠透射阵天线的设计中以实现对电磁波自旋角动量和轨道角动量的控制。由馈源辐射的线极化电磁波首先被涡旋超表面透镜反射，然后被极化转换超表面转换成正交线极化电磁波，最后从涡旋超表面透镜透射出去实现涡旋波辐射和线-圆极化转换。如果对这个副面的相位补偿进行合适的设计，该折叠透射阵天线可以实现更加紧凑的结构，其剖面高度仅为涡旋超表面透镜焦距的四分之一。另外，本设计还可以同时产生多个模态不同的涡旋波束，为扩展无线通信系统的信道容量提供了一种有效的方法。
NETL