进入二十一世纪以来,移动通信的发展异常迅速,从2G,3G发展到这几年的4G,以及即将大规模商用的5G,通信速度不断提升的同时,移动手持终端也越来越智能化。在各种通信应用场景中,天线是接收和发射信号的设备,其重要性不言而喻。随着通信设备向小型化发展,对天线的性能提出了更高的要求。人们渴望天线具有高增益、小型化、低成本、宽频带等特性,然而现实中天线的这些性能还不尽人意。超材料的出现为天线的发展打开了新的思路。由于超材料具有高折射率、负磁导率或负介电常数等特殊的电磁特性,我们通过在天线上加载合适的超材料,可以使天线的性能获得大幅提升。本文主要研究了超材料在提高天线性能上的应用,主要内容如下:1.本文研究的超材料有垂直裂环谐振器、垂直“工”字型谐振器以及可重构蘑菇型电磁带隙。在传统的开口环谐振器以及平面I型谐振器的基础上,我们将其发展为垂直结构,用来提高垂直极化天线的增益。在传统蘑菇型电磁带隙的基础上,我们将其发展为可重构超表面,用来提高天线的性能。2.我们将垂直裂环谐振器应用在磁偶极子天线上,制作了一款高增益垂直极化端射天线。在该天线的设计中,我们利用超材料的高折射率来提高天线的增益。经测试,其工作频带为6.4-6.7GHz,增益达到了8.7dBi,且仿真与测试结果基本吻合。3.我们设计了一款方向图可重构八木天线,其反射器为垂直“工”字型谐振器构成的超材料,引向器为可重构蘑菇型电磁带隙。我们在蘑菇型电磁带隙的地平面上,放置PIN二极管阵列,通过控制PIN二极管的通断来改变蘑菇型电磁带隙的电磁特性,进而实现天线E面方向图的改变。该天线有两种方向图:端射模式和波束倾斜模式,分别对应二极管的断开和导通,其中倾斜模式下天线的主波束倾斜了24°。这两种状态下,天线的工作频率分别为8.9-9.4GHz和8.9-9.45GHz,增益分别达到了9.4和9.7dBi。仿真和测试表明,在天线方向图改变的时候,其工作频带和增益基本保持不变。