现代无线通信、雷达、导航和制导等系统对作为其关键部件之一的天线提出了越来越高的性能指标要求。人工电磁超表面可以灵活地调控电磁波的传输路径和转换电磁波的极化方向,将其引入到阵列天线的设计中,可以实现天线的小型化,提高天线的增益,控制天线的波束指向和极化状态等。因此,研究基于人工电磁超表面的高性能阵列天线具有重要的理论意义和广阔的应用前景。论文结合国家自然基金项目,研究了几种基于人工电磁超表面的新型阵列天线。论文首先概述了研究背景与研究意义,介绍了人工电磁超表面的研究现状及其在阵列天线中的应用,并探讨了研究内容的相关基础理论。其次分别针对空间角度色散超表面、基片集成波导谐振腔超表面和线圆极化转换超表面开展了研究,并把这些超表面应用于波导缝隙阵天线和反射阵天线的设计中,提出了几种新型的阵列天线。最后对论文进行了总结与展望。论文的主要研究成果可以归纳如下:1.提出一种基于空间角度色散超表面的渐变剖面波导缝隙阵天线,可实现波束指向在窄频带内宽角度频率扫描的功能。首先,提出了一种空间角度色散超表面,其对不同斜入射角度的平面波呈现出不同的频率响应,可用作空间角度滤波器,把多色复合的电磁波分解成多个不同透射角度的单色电磁波。其次,利用渐变剖面矩形波导结构中的TE₁₀模可以等效为斜入射角度渐变的平面波的特性,提出了一种渐变剖面波导缝隙阵天线,可实现波束指向的频率扫描功能。最后,提出了两种空间角度色散的极化超表面,对渐变剖面波导缝隙阵天线进行了扩展,构建了双线极化渐变剖面波导缝隙阵天线,不仅可以实现波束指向的频率扫描功能,还可以辐射两种正交的线极化电磁波。仿真与实测结果表明,这三种渐变剖面波导缝隙阵天线均可实现窄频带内的宽角度频率扫描功能。2.提出一种基于基片集成波导谐振腔的超表面,并将其应用于波导缝隙阵天线的设计中,可实现天线对称双波束双正交圆极化的辐射功能。首先,利用基片集成波导谐振腔中TM₁₁₀模式的旋转对称场分布,提出了一种线极化旋转器,谐振腔一侧的条形缝隙可以将线极化波耦合进谐振腔中形成谐振模式TM₁₁₀,另一侧的C形缝隙可以将TM₁₁₀模式释放出来形成透射的线极化波,通过旋转C形缝隙的开口方向,可以旋转透射线极化波的极化方向,且同时保持透射幅度和透射相位不随极化的旋转而变化。其次,基于线极化旋转器提出了一种线圆极化分波器,其通过对线极化旋转器中的C形缝隙进行梯度旋转排布,可为等效的右旋圆极化电磁波和左旋圆极化电磁波构造相反的相位梯度,仿真与实测结果表明,这种线圆极化分波器可以使入射的线极化电磁波分成两束对称方向传播的右旋圆极化波和左旋圆极化波,实现线圆极化转换与双异常折射的功能。最后,将线圆极化分波器应用于波导缝隙阵天线的设计中,提出了两种天线的设计方案,这两种方案均表明,天线可以辐射两束对称方向传播的圆极化电磁波,且两束圆极化波的旋向相反。3.提出一种线圆极化转换超表面,并将其应用于共形反射阵天线的设计中,可实现线圆极化转换与波束指向同时调控的功能。首先,提出了一种斜45^?矩形环结构的线圆极化转换超表面,特征模理论分析与全波仿真结果表明,此种斜45^?矩形环结构可以同时调控两个正交线极化分量的幅度和相位,并保持这两个分量的相位差为90^?或者-90^?不变,其可以作为线圆极化转换器,把线极化电磁波转换为圆极化电磁波。其次,采用线圆极化转换器设计了凸面、平面和凹面三种线圆极化转换共形反射镜,这三种反射镜既可以把线极化平面波转换为圆极化平面波,又能实现异常反射的功能。最后,基于三种线圆极化转换共形反射镜,设计了凸面、平面和凹面三种线圆极化转换共形反射阵天线,这三种天线均可实现高定向性圆极化电磁波的辐射。仿真与实测结果表明,这三种共形反射镜与三种共形反射阵天线均可实现线圆极化转换与波束指向同时调控的功能。