低剖面端射天线在机载、车载、弹载等无线通信系统中具有广阔的应用前景,是近年来的研究热点。八木天线作为可以实现端射的一种天线形式,因其结构简单、生产成本低廉、且较易实现低剖面等优势,被广泛地应用。随着上述通信系统的发展,除了要求天线低剖面以外,也对其性能指标提出了更多的要求,如小型化、大偏角、多频段、高增益、波束可切换等。基于这个背景,从八木天线的基础理论出发,通过微带以及顶盘加载两种形式降低了八木天线的剖面,实现了八木天线的平面化。同时深入分析了八木天线不同模式下的工作特性,并利用这些特性设计了多款具有小型化、大偏角、多频段、高增益、波束可切换等功能的平面天线,为平面端射天线的设计提供了一些新的思路。论文主要工作和创新性如下:1.通过一款具有短路针加载引向器和缝隙加载反射器的四单元微带八木天线,研究了工作于TM01模的微带八木天线的特性以及其实现小型化和大波束倾角的方法。首先通过在反射器上加载缝隙缩小其面积使得反射器尺寸跟激励单元尺寸一致,从而减小了整个辐射贴片的面积实现了小型化。其次通过仿真结果研究了该天线结构下扩大波束倾角的方法,并根据等效磁流分布计算出天线的方向图从而给出了理论解释。最后研制的四单元天线尺寸为1.66λ0×0.83λ0,并且在整个频段内天线的波束偏角最多可偏离法向约56°。跟常规微带八木天线相比,波束倾角有明显提高。2.对微带八木天线在地板无限大时实现端射的方法进行了研究并且首次提出了工作于高次模TM02模的微带八木天线。当贴片天线工作于TM02模时,贴片左右两侧缝隙之中的磁流是反相的,因而两个磁流可在边射方向相互抵消而在端射方向相互叠加。此时在贴片旁边合理放置若干的寄生单元就可以使波束向一端集中从而实现完全的端向辐射。论文深入研究了工作于高次模的微带八木天线的辐射特性并最终研制了一个四单元的微带八木天线,仿真设计证实了当地板无限大时该天线可实现完全的端向辐射且该天线在整个频带内的实测增益为7.2d Bi到8.9d Bi。为了进一步提升天线的增益以及减小天线的副瓣,又研制了一款基于TM02模的五单元高增益准微带八木天线。该天线用两个尺寸相同的寄生单元作为一组代替了原先单个的寄生单元,这样的排布方式使得天线H面的口径增大,H面的波束宽度变窄,同时波束会更加向引向器一端集中,从而提高天线的增益并且减小天线的副瓣。最后设计的天线在整个频带内的实测增益可达8.8d Bi到11.3d Bi,同时整个频带内的副瓣电平比主瓣低9d B以上。3.针对之前提出的微带八木天线都是单模工作这一特性,利用TM01模和TM02模对微带八木天线实现双频的方法进行了研究。为了在单层介质板上实现双频准端向辐射,在每个贴片单元上刻蚀了四条缝隙,用于调节TM01模和TM02模的谐振频率,使得两个模式下单元之间的电间距都能满足实现准端向辐射的要求。最后研制了五元的微带八木天线,测试结果表明该天线分别在2.76～2.88GHz(TM01模)和4.88～5.03GHz(TM02模)这两个频段实现了准端向辐射。4.对低剖面八木天线实现波束切换的设计方法进行了研究并提出了三款具有波束切换功能的准八木天线。首先提出了一个双端口馈电的具有两种工作状态的准微带八木天线。天线通过切换TM01模和TM02模来获得两种工作状态从而切换波束,这两个模式的谐振频率通过在每个贴片上加载若干的缝隙和短路针调节到一起。为了在激发其中一个模式的时候隔绝另外一个模式,天线采用了两端口进行馈电。最终研制的天线结构紧凑,只有三个辐射贴片且仅使用较少的开关元件来切换波束,结构简单。针对上一款天线需要双端口馈电这一问题,接下来提出了单端口馈电的波束可切换微带准八木天线。天线在两个工作于TM01模的辐射贴片的非辐射边放置两个尺寸较小的矩形贴片并且矩形贴片的中心加载了短路针,通过控制短路针与地板相连或者断开,可改变天线的工作状态来实现波束切换。该天线只用到较少的开关元件,结构简单且尺寸紧凑。最后提出了一款基于顶盘加载单极子的准八木天线。首先在单极子上加载金属顶盘降低天线剖面,然后在激励单元的四周放置六个同样高度的顶盘加载单极子作为寄生单元。当寄生单元与地板相连时可作为反射器,通过控制部分寄生单元与地板相连或者断开可以控制天线的工作状态。最后研制的天线具有三种工作状态,实现了波束在整个水平面上的扫描。