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可重构天线是当今天线研究设计的前沿课题,与此同时,它也是未来无线通信和卫星通信等方面的绝佳候选。可重构天线的物理结构保持不变,通过使用电气、机械或者其他方法去改变其基本工作机理,这样天线的频率和辐射特性能够根据外部需求进行变化。可重构性使得单天线等价于具有固定功能的多天线系统。另一方面,包括左手材料(Left-handed Materials,LHMs)、频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)、电磁超表面(Metasurface,MS)以及电磁带隙结构(Electromagnetic Band Gap Structure,EBG)在内的电磁超材料被广泛应用于天线设计中。这些新型天线相对传统天线而言具有更好的性能。本文从电磁超材料和天线相结合的角度出发,根据实际应用需求设计了基于电磁超表面覆层的圆极化天线和极化可重构天线,基于矩形蘑菇型覆层的双频线极化天线和方向图可重构天线,基于电磁超材料的天线阵列以及基于高阻抗表面(High Impedance Surface,HIS)的频率可重构天线。本论文的主要工作具体如下:1.设计了一种基于电磁超表面覆层的宽带圆极化天线以用于C波段卫星通信,该天线由两部分组成:一部分是平面缝隙耦合天线;另一部分是由长方形贴片单元组成的周期阵列,这一部分可以看作是极化相关的电磁超表面覆层。该电磁超表面覆层用于调整天线的轴比以实现宽频带圆极化。而且所提出的天线具有紧凑结构(地板尺寸34.5×28 mm2)和0.07λ0(λ0为5.25 GHz所对应的自由空间波长)的低剖面。实验结果表明,该天线的-10 dB阻抗带宽从4.2 GHz到5.9 GHz,相对带宽为33.7%,其3 dB轴比带宽为16.5%,即从4.9 GHz到5.9 GHz。实测与仿真结果吻合较好。在该宽带圆极化天线的基础上,设计了两款极化可重构天线。其中一款是在电磁超表面覆层上加载PIN开关和贴片电感,通过控制PIN开关的通断,天线可以在线极化和左旋(或者右旋)圆极化之间转换;另一款是在天线地板上刻蚀“×”字形缝隙,在该缝隙上加载PIN开关,通过控制不同位置的PIN开关的通断,天线可以在线极化、左旋圆极化以及右旋圆极化之间转换。2.设计了一种基于矩形蘑菇型覆层的双频线极化天线以用于双频无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN),该天线由矩形蘑菇型覆层和平面缝隙耦合天线组成。天线工作于两个频段,低频段从2.30 GHz到2.98 GHz,-10 dB阻抗带宽25.8%,平均增益2.0 dBi,该频段由零阶谐振模式产生;而天线的高频段从5.02 GHz到5.84 GHz,相对带宽15.1%,平均增益6.9dBi,该频段由TM10和反相TM20谐振模式激励出。所设计的天线可以覆盖2.4 GHz(2400-2484 MHz)和5 GHz(5150-5825 MHz)两个WLAN频段。而且该天线具有4.2 mm的低剖面和33×30 mm2的紧凑结构,这些特性使得天线易于安装在手持通信设备中。天线的实测和仿真结果吻合较好,验证了天线的优良性能。在该双频线极化天线的基础上,设计了一款方向图可重构天线。该可重构天线除了缝隙耦合天线和矩形蘑菇型周期阵列以外,还包括一个简单的直流偏置电路,通过偏置电路的控制,天线可实现四种方向图可重构特性,且具有8.7%的共享工作带宽。3.针对不同的应用需求背景,在基于电磁超表面覆层的宽带圆极化天线和基于矩形蘑菇型覆层的双频线极化天线基础上,分别设计了基于电磁超表面覆层的圆极化天线阵列和基于矩形蘑菇型覆层的双频线极化天线阵列,并对这两种阵列进行了仿真分析。结果表明,基于电磁超表面覆层的圆极化天线阵列随着扫描角度的增大其轴比特性由单宽频转化为双窄频,仍具有较好的圆极化特性。基于矩形蘑菇型覆层的双频线极化天线阵列在扫描的时候,其低频对高频进行扫描补偿,这样使得天线的扫描角度大大提升,而且在布阵方向上几乎没有扫描盲区。4.提出了一款基于双频高阻抗表面的准Sierpinski分形偶极子频率可重构天线,通过改变PIN开关的状态,该天线能工作在X波段、Ku波段和Ka波段三个频段。为了实现低剖面设计和较好的前后辐射比,提出一个双频高阻抗表面反射板。该高阻抗表面由刻蚀正方形缝隙的正方形金属贴片组成周期阵列,该双频高阻抗表面在X波段和Ku波段因为其同相反射特性而当作人工磁导体使用,而在Ka波段当作金属电导体。天线在不同的可重构频带具有一个3.754 mm的统一低剖面。设计、仿真了理想开关模型的可重构天线单元,加工、测试了加载偏置线的实际开关模型的可重构天线单元以及2×2天线阵,最后设计并仿真了 8×16天线阵列。结果表明所设计的天线及天线阵列在X波段、Ku波段和Ka波段均具有较好的阻抗匹配和辐射特性。