随着无线通信技术的飞速发展,通信系统对于天线的性能提出了更高的要求。平面阵列天线由馈源和平面阵列构成,结合了反射面天线和微带阵列天线的优点,在结构和天线性能方面具有显著的优点。在天线结构方面:天线阵列重量轻,体积小,馈电方式简单,易于加工制造。在天线性能方面:阵列天线具有高增益,高效率,波束控制灵活的特点。由于阵列单元的相位控制简单,采用平面阵列天线设计涡旋电磁波时,无论是平面反射阵列天线还是平面透射阵列天线均显示了其他天线无法企及的优势。平面阵列天线的研究与平面阵列天线在涡旋电磁波产生方面的应用得到了国内外学者越来越多的关注,并发展成为了天线研究的一个重要方向。本文对平面反射阵列天线和平面透射阵列天线进行了深入的研究,并对阵列天线在涡旋电磁波产生方面的应用进行了研究。具体的工作和创新点如下:1、单元角度旋转法应用于固定尺寸的反射阵单元实现圆极化平面反射阵列天线的设计。对单元角度旋转法进行了理论分析,推导出了单元角度旋转法实现圆极化反射阵列天线的可行性,并对单元旋转角度和补偿相位的对应关系做了量化的分析。设计了一种新型的反射阵单元,通过对单元的参数优化获得较宽的单元工作带宽,采用单元角度旋转法来实现圆极化反射阵列天线的设计。最终,设计的圆极化反射阵列天线实现了20%的1dB增益带宽和30%的3dB轴比带宽。2、X/Ku双频宽带单层反射阵列天线设计。提出的平面反射阵列天线工作在X/Ku双频带内,反射单元由一个具有相位延迟线的开口环单元和和一个循环贴片单元构成。设计的开口环单元和循环贴片单元分别工作于X-和Ku-频带内。由于开口环单元具有足够大的内部空间,因此开口环被选择作为低频单元,循环贴片单元被放置在开口环内部空间内。低频单元和高频单元的相位变化均不依赖于单元外围尺寸的变化,这为双频单元的设计提供了一种可行性方法。低频单元的相移通过改变相位延迟线的长度来控制,高频单元的相移靠循环贴片内部圆环的位置移动来控制。整个反射阵列天线被设计、加工和测试。测量的结果显示在8.5GHz时,天线的增益为22.9dBi,口径效率为40%;在16GHz时,天线的增益为28.8dBi,口径效率为44.8%。在X/Ku频段内的1dB增益带宽分别为:20.5%(7.9GHz-9.7GHz)和13.3%(14.7GHz-16.8GHz)。3、双层高效率、宽带透射阵列天线设计。设计的透射阵列天线单元由四个金属过孔和两个具有寄生微带线的交叉偶极子构成。四个金属过孔贯穿整个介质基板并且对称排布。交叉偶极子印刷在介质基板的两侧。金属过孔实现上下层之间的强耦合并最终实现理想的透射幅度。寄生贴片的增加是为了使整个透射阵列单元可以实现360度的相移。透射阵列天线被设计、加工和测量来验证设计单元的正确性。仿真和测量结果具有较好的一致性。在18GHz,设计的透射阵列天线增益为29.2dBi,口径效率为51.4%,1dB增益带宽为9%(17.2GHz-18.8GHz)。提出的双层透射阵列天线实现了低剖面特性,简化了设计复杂度并降低了天线阵列的重量和花费。4、双层宽带透射阵列天线设计采用双自由度单元。设计的双层透射阵列由441个透射单元构成。每一个单元包括四个金属过孔和两个具有双自由度的金属贴片,两个金属贴片印刷在介质基板的上下两侧,四个金属过孔贯穿整个介质基板与两个金属贴片相连。金属过孔被用来提高单元的透射幅度,具有双自由度的金属贴片被用来实现理想的相移范围。其中,金属贴片的第一个自由度可以实现300°的相移范围,金属贴片的第二个自由度可以实现130°的相移范围,总共可以实现430°的相移范围,满足360°的相移范围要求。整个透射阵列天线被设计、加工和测试。仿真和实测结果具有良好的一致性。实验结果表明,在21GHz时,提出的透射阵列天线具有30dBi的增益,40%的口径效率和9.6%(20.1GHz-22.2GHz)的1-dB增益带宽。提出的透射阵列天线单元设计方法简化了设计复杂度,减小了阵列的厚度、重量和花费。5、数字化1bit可重构反射阵列天线设计。提出了一种基于偏振转向概念的多层反射单元,实现了可重构反射阵列天线所需的1-bit相移。采用磁流模型和空间匹配讨论了单元的工作原理,并通过仿真验证了单元的设计和性能指标。为了验证单元在整个反射阵列天线中的性能,一种偏馈结构的透射阵列天线被设计、加工和制造。设计的可重构反射阵列天线通过控制编码来实现宽角域的波束扫描。由于提出的反射阵列天线工作带宽宽,控制简单波束,扫描能力强,这种电子可控反射天线在卫星应用中具有重要的潜力。6、基于透射型人工电磁表面的涡旋电磁波产生。本文研究了涡旋电磁波在空间中能量和相位的分布方式。借助于光学中涡旋波的概念,涡旋电磁波的模态和特性被分析和讨论,并详细分析了对于透射型人工电磁表面涡旋电磁波的产生机理。运用matlab强大的计算功能,实现了不同模态下,透射型人工电磁表面的相位分布的理论分析。设计了一种新型的双层透射单元,通过电流分布,分析了透射单元的单元性能。运用电流路径增加影响单元相移特性的思想,优化了单元并使其实现了理想的透射幅度和360°的相移。最终设计了一款工作于ku频段模态为1的涡旋电磁波产生装置。通过加工、测试,验证了天线的仿真和测试性能具有良好的一致性。