人工电磁结构是一类由亚波长结构单元有序排列而构成的人工复合结构,具有一系列超常的物理特性,在许多研究领域都引起了高度关注。利用人工电磁结构的优异电磁特性来设计和改进微波天线是人工电磁结构在微波领域应用的一个重要方向,已成为具有重要研究价值和广阔发展前景的研究热点。本文围绕人工电磁结构在微波天线中的应用研究这一主题,结合多频段小型化和频率波束扫描天线面临的重难点问题,利用理论推导、仿真模拟和实验验证等方法展开了一系列创新性研究,主要内容有:1.提出了两种应用于WLAN和WiMAX的多频段小型化天线。首先,设计了一种新型的结构简单的三频段小型化天线,该天线的辐射结构仅由两个简单的单极子辐射单元构成,为简化多频段小型化天线的结构复杂度提供了一种新思路。其次,提出了一种基于多谐振人工电磁结构单元和开口环形缺陷地结构相结合的新型设计法的三频段小型化天线。该天线在实现良好的输入和辐射性能的条件下达到了较高的小型化水平,并实现了多频段和小型化设计方法的有效融合。实验结果表明,两种天线都较好的覆盖了WLAN和WiMAX应用所需的多个频段,且在三个工作频段内实现了良好的增益和稳定的全向辐射特性。2.提出了一种高频率扫描灵敏度的频率波束扫描天线。首先,设计了一种基于人工表面等离激元和基片集成波导的复合慢波波导。在此基础上,提出了一种新颖的基于错列分布的金属化过孔的周期性数字调制法并将其用于对复合慢波波导进行调制,实现了具有高频率扫描灵敏度的频率波束扫描天线。实验结果证实,天线的频率扫描灵敏度高达9.8°/100 MHz,且在工作频段内实现了稳定的定向辐射特性。3.提出了一种小型化、宽扫描角度和开阻带抑制的频率波束扫描天线。通过将双层的人工表面等离激元导波结构引入半模基片集成波导中,设计了一种新型的小型化复合波导。进一步,提出了一种双层平移对称的周期性调制法并将其用于调制复合波导以实现频率波束扫描天线,这种调制法可以有效的抑制周期性波束扫描天线常见的开阻带问题。该天线利用半模基片集成波导和人工表面等离激元相结合的新型设计方法,实现了十分紧凑的天线尺寸。实验结果表明,天线实现了宽扫描角度（125°）的从后向到前向的连续定向波束扫描,并很好的抑制了边射方向的开阻带问题。4.提出了一种小型化、开阻带抑制和波束扫描范围可灵活设计的频率波束扫描天线。首先,实现了人工表面等离激元与折叠半模基片集成波导的结合,并设计了一种新颖的十分紧凑的复合慢波波导。基于此,提出了一种单层的周期性调制法以对复合慢波波导进行有效调制,从而首次将折叠半模基片集成波导用于实现频率波束扫描天线。该天线具有非常小的横向宽度,且可以在不改变调制结构的情况下灵活设计波束扫描的范围。实验结果证实,天线实现了稳定的从后向到前向的连续的定向波束扫描,且在边射方向成功的消除了开阻带问题。该天线具有比现有平面频率波束扫描天线更小的横向宽度。5.提出了一种结构简单的低剖面圆极化频率波束扫描天线。设计了一种新型的基于槽线和倾斜的人工表面等离激元导波结构的慢波传输线,该传输线在与传输方向正交的横截面上提供了正交的电场分布。进一步,为了实现圆极化和频率波束扫描特性,提出了一种简单的双边倾斜、平移对称的周期性调制法以对慢波传输线进行调制。由此设计的天线具有简单的结构和较低的剖面高度。实验和仿真结果表明,该天线在上半和下半空间内分别实现了良好的右旋和左旋圆极化波束扫描。