超表面是一种亚波长结构的二维周期人工电磁结构,具有独特的电磁特性及设计的灵活性。将超表面直接作为辐射结构的超表面天线已成为了当前研究的热点。该天线在保持低剖面的前提下,具有宽频带和高增益的优异性能。但迄今为止,已报道的超表面天线还存在结构尺寸较大且性能单一的不足。针对这一问题,本论文创新性地将高阻抗表面引入到传统超表面天线中,提出了新型的混合超表面天线单元,并基于该单元,设计了一种低剖面的混合超表面天线阵列;通过设计可重构馈电网络,实现了一种四极化可重构的混合超表面天线阵列;通过隔离结构和馈电网络的设计,实现了一种紧凑的宽频带、高隔离度的双极化超表面天线阵列。这些设计,在现代无线通信系统中都具有广阔的应用前景。本论文的主要研究内容概括如下:第一章主要介绍了人工电磁结构在天线设计中的应用背景和意义,以及人工电磁材料天线的国内外研究进展。第二章简要介绍了人工电磁结构的设计理论。第三章创新性地提出了结合高阻抗表面和超表面天线的思想,设计了一种新型的低剖面宽带混合超表面天线。该天线通过集成一维的高阻抗表面,抑制了沿介质传播的表面波,从而改善了天线的辐射性能。最后,基于该天线单元设计了一种共用高阻抗表面的天线阵列,在保持其宽频带和良好辐射性能的基础上,实现了阵列的小型化。仿真和测试结果证明了天线和阵列的良好性能。第四章提出了四极化可重构的混合超表面天线阵列。首先,基于混合超表面天线的设计方法及理论,设计了满足应用于极化可重构天线阵列的辐射单元。其次,分析了现有可重构天线阵列的实现技术,设计了一种可重构馈电网络。最后,结合天线阵列和可重构馈电网络,实现了四种极化模式可调的混合超表面天线阵列。仿真和测试结果证明了阵列的良好性能。第五章研究了双极化天线阵列的实现技术以及提高隔离度的方法,提出了一种低剖面的宽带双极化超表面天线,该天线实现了辐射特性一致的垂直和水平线极化。进一步,基于该双极化天线单元,设计了两个具有高增益和低交叉极化的紧凑型宽带天线阵列。此外,为了改善端口隔离并降低交叉极化,设计了一种新颖的带状蘑菇结构,并将其加载在阵列单元之间。仿真和测试结果表明,该天线及其阵列具有良好的性能。第六章归纳和总结了本文的主要研究内容,对下一步的研究进行了展望。