在无线通信系统中,天线设计对减小系统体积、降低射频信号后处理的复杂度至关重要。可赋形波束天线、波束扫描天线以及多波束天线受到越来越多地关注和研究。传统相控阵天线系统无疑是实现上述功能的理想方案,但在微波、毫米波频段,相控阵天线系统中的移相器、衰减器成本高昂,能效较低,难以民用。常用替代方案有无源矩阵网络阵列天线和抛物面天线系统(通过伺服电机控制)。但阵列天线会随着天线数量的增加使得馈电网络非常复杂,并带来严重的损耗问题;而抛物面天线系统虽然性能优良,但其体积相对较大、笨重,不利于集成,而且对电机伺服系统要求也很高。近十年来,人工电磁表面在电磁领域已经普遍应用于超薄电磁透镜(凹透镜、凸透镜等)、可编程反射表面、可重构频率选择表面(FFS),及三维成像等。人工电磁表面具有调控电磁波的极化、传播和空间分布的能力,因此,将电磁表面与天线相结合将进一步提高天线对波束的调控能力。本文首先设计了一类高效人工电磁表面,对其进行物理表征,并研究其电极化调控特性和波束调控特性。然后,将人工电磁表面与馈源天线相结合,利用天线远近场之间的傅里叶变换原理,设计出波束可重构的透镜天线。总体而言,本文的主要研究工作可分为以下几点:1.基于多模谐振理论设计了一种高效传输电磁表面,利用传输矩阵对电磁表面进行各向异性设计,实现了对电磁波极化方向调控、线极化圆极化转换和P-B(Pancharatnam-Berry)相位控制。用阻抗网络精确表征该单元的传输特性,利用该电磁表面的表征模型,实现双极化透镜天线设计。仿真实验结果表明,双极化透镜天线有15%以上的带宽,-25d B的端口隔离度和优于-20d B的交叉极化比。2.提出了基于抛物线相位补偿算法的一维波束扫描透镜天线,对其相位误差做了分析,并与普通透镜天线的波束扫描能力进行了比较。实测结果表明,该天线有±60°的波束扫描能力,有更稳定的相位误差和更优的波束扫描能力。进一步设计了基于椭圆旋转抛物面相位补偿算法的透镜天线,该天线基于二维电磁表面相位梯度理论,实验表明该二维波束扫描透镜天线具有±55°半空间二维波束扫描能力。3.设计了相位可反转的高效谐振型电磁表面单元,该单元基于过孔探针馈电,并通过旋转顶层贴片改变馈电点相对位置,实现180o相位反转,突破了级联结构的相位传输限制,扩展了电磁表面的工作带宽和相位覆盖范围。利用该单元的相位反转特性,设计了能实现电磁波能量从高斯分布到Sinc函数分布转换的电磁透镜,并进而设计了波束宽度为60o扇形波束的透镜天线。最后提出了应用于V(垂直)极化和H(水平)极化的扇形波束的透镜天线设计方案。实验结果表明,该天线可以实现V极化和H极化辐射,有较低的副瓣和优于-30 d B的交叉极化比。4.对扇形波束的透镜天线做了扩展设计,基于远近场的傅里叶变换关系,推导了不同波束宽度的切换理论,基于该理论设计了不同波束宽度的扇形波束透镜天线,并对高增益笔状波束和扇形波束切换方案进行了仿真验证。仿真结果表明运用该理论可以实现波束宽度60o,90o的扇形波束透镜天线,并可以实现高增益笔状波束和60o扇形波束的电控切换。5.设计应用于微波回传中心站的全金属结构的一体化扇形波束天线。该天线基于波导口面场周围的金属槽结构对辐射场的调节作用,设计了低剖面扇形波束天线,能够满足(欧洲ETSI EN 302 085 V1.2.3标准)class CS2系列和class CS3系列的高性能指标。实际加工、测试结果表明该新型天线完全满足工程需要。