随着超材料技术的兴起,通过超材料相移表面构成的平面透镜天线受到了越来越多的关注,平面透镜天线具有高增益、小体积等诸多优点,通过调整表面相移单元的排布方式可以实现对电磁波波束的调控。本文主要研究了能够实现笔形波束、扇形波束以及涡旋波束的平面透镜相移单元排布方法,并根据该方法设计出了高增益笔形波束平面透镜、不同波束宽度的扇形波束透镜以及不同模态的涡旋波束平面透镜天线,经过仿真上述天线均具有良好的性能。本文主要完成的工作包括:首先介绍了一种工作在76.5GHz频段的新型相移单元结构,该结构具有三层导体层以及两层介质层,厚度约为0.125λ远远小于同频段的介质透镜。该相移单元能够实现0～360°的相移范围,并且具有较高的传输系数,为减小实际加工难度,将整个相移范围分割成8个区间,仅采用8个区间的中心相移值来替代整个相移范围,所设计的透镜仍具有较好的性能。在此基础上,研究了笔形波束平面透镜天线表面相移值的分布情况,根据入射到透镜表面的电磁波波程不同给予不同的相移值,从而将馈源辐射出的球面波转换为平面波,大幅提高了天线的增益,经仿真所设计的笔形波束平面透镜天线增益高达32.1d B,相比馈源天线提高了20d B。通过改变透镜表面相移梯度变化率设计了不同波束宽度的扇形波束天线,该天线增益达到30d B,在E面与H面的波束宽度分别为1.7°和4.1°,当梯度变化率因子增大到2时,透镜天线增益达到24.2d B,在两主平面上的波束宽度分别为1°和18.3°。除此之外,本文介绍了携带轨道角动量模态信息的涡旋波束传播特性,研究了单模态涡旋波束平面透镜天线的设计方法,通过对不同方位角的入射电磁波给予不同的相移值,可以使得出射波相位呈现螺旋形,其中模态值的符号对应了相移值变化的旋转方向,而模态值的绝对值7)指示了当方位角变化一周时,相移值变化了2pl。最终通过该方法设计了模态值分别为+1,±2,+4的单模态涡旋波束平面透镜天线,然后通过内外层嵌套的方法设计了一款模态值为+1,+2的混合模态涡旋波束平面透镜天线,并分析了影响透镜天线性能的因素,上述天线均取得了良好的性能。