电磁超表面结构作为一种超材料（Metamaterial）,因其具有自然界中不具备的电磁特性,近年来备受关注。其中,人工磁导体（Artificial magnetic conductor,AMC）结构具有在特定频率范围内对平面波呈同相位反射的电磁特性,既可作为天线的地板,也可作为一种直接辐射单元（又被称作超表面天线）,能够突破传统天线的结构与性能极限,给无线通信系统中天线的研究带来新的思路。随着无线通信技术的发展,为满足高性能、智能化的毫米波系统与移动通信系统的发展需求,对天线的性能要求也越来越高,高定向性、可重构、宽带、小型化、大角扫描相控阵等成为微波毫米波天线的发展趋势。因此,开展新型电磁超表面结构及其在高性能天线方面的应用研究,具有很高的学术价值与应用价值。本文针对现有电磁超表面结构的基本特性及其在天线应用中存在的局限性,开展了深入的研究工作。主要创新性内容概括如下:1.基于非周期AMC结构的高定向性天线研究:针对圆柱型反射板具有强反射特性但其三维结构不易加工集成的特点,提出基于圆柱投影等效理论的非周期AMC技术,构建了多种具有与圆柱表面同等反射的新型高定向性平面反射板,并将其应用到微带天线中,使天线的增益得到明显的提高;在此基础上,将非周期AMC投影等效理论应用于双极化天线中,提出具有与球体表面同等反射的新型高定向性平面反射板,研制出高效率、高隔离的双极化平面天线。通过实物测试,验证了所提出的基于非周期AMC反射板的天线具有高增益和高口径效率的辐射特性。这部分工作为实现高定向性天线提供了具有价值的可选技术方案。2.基于新型可调谐AMC结构的极化可重构、频率可调谐天线研究:首次提出新型的具有极化切换、频率可调谐功能的AMC结构,分析其实现可调谐性能的机理,总结出可调谐AMC结构的设计思路;在此基础上,将可调谐AMC结构应用到宽带偶极子天线中,可实现天线右旋圆极化、左旋圆极化、线极化三种极化状态的快速切换和频率可调,同时圆极化状态下的工作带宽也可以调节;结合变容管控制的单层馈电网络,实现了极化可重构、频率可调谐的多参数可重构天线。这部分工作为实现结构新颖和原理简单的多功能天线提供了很好的技术参考。3.非周期多谐振超表面技术及其在宽带超表面天线中的应用:提出非周期多谐振超表面技术来展宽超表面天线的带宽;对实现多模谐振超表面结构的设计思路进行总结,从超表面结构的尺寸、排列方式及形状出发,通过非周期方式分别实现三种具有多谐振特性的超表面结构;在此基础上,将其作为直接辐射元应用于超表面天线中,提出三个宽带多谐振超表面天线的设计方案并进行了实验验证。这部分工作为实现宽带超表面天线设计提供了可选的技术方案。4.基于容性加载技术的宽带小型化超表面天线研究:从超表面结构的等效电路出发,提出三种容性加载技术,在保证宽带特性的同时,使得超表面结构的尺寸得到极大的缩减;在此基础上,将宽带小型化超表面结构分别应用于天线设计中,提出多种宽带小型化天线设计方案并进行了实验验证。这部分工作为实现宽带小型化超表面天线提供了解决方案,同时也为超表面天线的阵列拓展提供了技术思路。5.面向5G通信的宽角扫描毫米波超表面相控阵天线:面向5G移动通信系统的需求,将提出的容性加载技术应用到毫米波超表面天线设计中,结合LTCC多层加工工艺,设计出具有低剖面、宽带、小型化特性的毫米波超表面天线;在此基础上,研制出具有宽角扫描性能的毫米波段4×4集成天线阵列,并采取抵消路径的去耦方法来保证小间距下单元间的隔离,使得天线阵列实现高隔离和宽角扫描的性能。这部分工作首次将超表面天线应用于相控阵中,为5G移动通信系统提供了较大的参考价值。