现代通信对天线的性能提出更高的要求,例如:高增益、超宽带等,并且需要同时满足低成本和低雷达散射截面积等需求,基于传统周期结构的设计往往无法满足所有要求。本论文基于超齐构无序分布研究并设计了一些具有多种高性能特性的相控阵、反射阵和伦伯透镜。并且,还将超齐构无序分布与散射超表面结合,设计了用于降低雷达散射截面积的超表面。此外,提高大规模阵列天线增益的覆层设计较少,针对此类问题,本文基于分段均匀结构设计了性能优越的介质覆层天线,可以用于提高双极化大规模阵列天线的增益。本论文的主要工作和创新成果可以概括如下:1.基于超齐构无序分布的超宽带相控阵设计:针对传统周期分布相控阵在天线间距大于半波长时会出现栅瓣的问题,引入了超齐构无序分布用于相控阵天线的设计。该非周期相控阵避免了栅瓣的出现,并且具有超宽带和设计方法简单等特点。由于超齐构无序分布的结构公式与阵列天线辐射方向图公式的联系,所提出的超齐构无序分布阵列天线与周期分布的阵列天线相比也有一些相似的可预测特性。并且,由于超齐构无序分布的非周期特性,其对应的大规模相控阵在单元间距超过半波长时不会出现栅瓣。此外,超齐构分布也可以作为子阵进行周期性拓展,拓展后的阵列保持与子阵有相似的性质,因而超齐构分布可以用于超大规模阵列天线的设计。2.基于超齐构无序分布的可重构反射阵天线设计:针对周期分布的可重构反射阵天线在单元间距大于半波长时会出现栅瓣的问题,提出了一种基于超齐构无序分布的可重构反射阵列天线结构。基于超齐构无序分布的可重构反射阵天线不仅避免了非周期相控阵难以设计馈电网络的问题,而且在设计过程中增加了单元间距,从而减少了有源器件的数量,同时避免了栅瓣的出现。理论上证明了基于减少单元个数的非周期分布设计的反射阵列天线,可以像周期分布的反射阵列天线一样实现波束扫描,并且得到相似的辐射特性。研究理想相位分布情况下基于超齐构无序分布的可重构反射阵列天线的性能,证明了超齐构无序分布可重构反射阵列天线代替传统周期分布反射阵列天线的可行性。在此基础上,利用变容二极管设计并加工了可波束扫描的1-bit反射阵列天线,其扫描范围为±50°且最高增益达到17.4 dBi。与周期分布可重构反射阵列相比,所提出的1-bit超齐构可重构反射阵列天线在达到相近的扫描性能情况下,单元间距增加并且有源器件的个数减少,从而降低成本。3.基于超齐构无序分布的低雷达散射截面积伦伯透镜设计:针对周期结构由于布拉格反射会出现高雷达散射截面积的问题,基于超齐构无序分布和麦克斯韦等效介电常数结合的方法设计了介质伦伯透镜。仿真结果表明,利用超齐构无序分布设计的伦伯透镜与周期分布的伦伯透镜相比,在工作频段内有相似的效果,同时避免了工作频段外周期分布透镜因为布拉格反射产生的高雷达散射截面积。在此基础上,利用打孔的方法对两种透镜分别进行了加工,同时进行了近场测试。测试结果表明,非周期分布打孔的伦伯透镜实现了漫反射因而避免了周期打孔透镜在某些频段内向特定方向的反射,并且在工作频段内与周期打孔的伦伯透镜有类似的汇聚效果。4.基于超齐构无序分布的低雷达散射截面积散射超表面设计:基于超齐构无序分布和随机编码超表面结构,提出了一种快速且有效的方法用于设计降低雷达散射截面积的散射超表面。该散射超表面结构利用超齐构无序分布方式,相比于传统利用周期分布方式设计的超表面引入单元位置的非周期性,可以更加有效地降低雷达散射截面积。大量仿真结果表明,相比于周期分布超表面,非周期分布超表面的单站和双站雷达散射截面积缩减带宽更宽。此外,相比于对应的周期分布超表面,所设计的非周期分布超表面在不同入射角情况下的雷达散射截面积和设计频段外的雷达散射截面积都较低。5.基于分段均匀结构的高增益阵列天线介质覆层研究:为了提高双极化阵列天线的增益,基于漏波和边缘绕射的原理,提出了同时提高双极化微带阵列天线增益的分段均匀介质覆层。首先,基于漏波和边缘绕射的原理设计和加工了用于提高单个双极化微带天线的介质覆层。对于两个极化,介质覆层将天线的增益分别提高了 10.7和11.2 dB。在此基础上,研究了介质覆层对于阵列天线的作用,提出了使用离散介质覆层替代均匀介质覆层的方法从而将增益进一步提高。并且,为了加工和装配方便,提出使用分段均匀覆层替代离散介质覆层。该介质覆层结构简单、易于加工和组装,对于2×2的双极化阵列天线,其实测增益可以达到18.3和18.4dBi,并且该方法被证明同样适合用于提高更大规模阵列天线的增益。