随着相控阵天线在探索空域、制导、识别和跟踪等技术领域越来越广泛的应用,无论是在军用方面还是民用方面,对具有高增益、大角度扫描和多频段工作等性能的相控阵天线的研究都日趋活跃,而其中尽可能的扩大波束扫描范围和实现多频段工作一直是当下相控阵技术需要突破和发展的两大关键问题。近几年,人工电磁超材料由于其具有对空间电磁波传播特性调控的能力而受到了人们的广泛关注,不同结构的电磁超材料与传统相控阵天线的结合使得其两大关键问题有了解决的新契机。为此,本文对基于电磁超材料的相控阵天线及其波束扫描等特性展开了研究。本文的研究工作主要分为以下几个方面:1.首先介绍了传统相控阵天线和基于超材料相控阵天线分别在宽波束扫描应用方面的研究现状。接着概述了蘑菇型电磁带隙结构的工作原理和其在天线设计中的应用,以及电磁超表面在传输阵天线中的应用和直线阵列天线基本理论,这些都为本文中超材料覆层宽扫描角相控阵天线和基于多层电磁超表面高增益传输阵天线的设计提供了理论依据。2.设计了一种基于蘑菇型覆层的双频缝隙天线,该蘑菇型覆层缝隙天线可以在两个频段内工作,分别是低频段从2.9GHz到3.7GHz,相对带宽为24.2%,高频段从5.3GHz到6.1GHz,相对带宽为12.1%。该天线的低频段由覆层的零阶谐振模式激励产生,而其高频段则由TM₁₀和反相TM₂₀谐振模式激励产生。所提天线具有低剖面,结构紧凑,多频段工作特性。3.设计了一种基于矩形EBG覆层的双频相控阵天线,能够实现从边射方向到端射方向的大角度波束扫描范围。所提出的阵列单元结构由矩形蘑菇型贴片阵列和平面缝隙耦合阵列天线组成。该双频相控阵天线能够工作在两个频段,低频的工作频带从3.1 GHz到3.7 GHz,-10dB带宽为17.1%,高频的工作频带为5.2 GHz到6.0 GHz,-10 dB带宽为15.8%,两个频段的平均增益分别为10.56 dBi和15.32 dBi,且辐射效率均高于70%。阵列在进行波束扫描的时候,其低频波束会随高频波束一起扫描,并且两个频段的波束扫描角度会相互补偿,从而使得阵列的整体扫描范围得到了大幅度的提高,而且在直线阵列排布方向上实现了全角度覆盖的扫描范围。4.设计了一种基于多层超表面的高增益传输阵天线,该传输阵天线结构由五元直线阵列天线和基于电磁超表面覆层的传输阵组成,通过改变传输阵单元的传输相位对穿过传输阵的电磁波进行相位补偿,从而在提高天线增益的同时,实现在E面和H面上的波束同步调控。关于E面波束扫描的实现,主要是通过1×5直线阵列天线自身的馈源间相位差产生。针对H面的波束扫描,设计了多层超表面高增益传输阵天线,使天线在E面波束正常扫描的同时,H面主波束可以达到0°到45°的扫描范围。