超材料(Metamaterials)作为一种人工复合结构或复合材料,具有天然材料所不具备的超常物理性质,近年来在获得了广泛关注。超表面(Metasurface,MS)作为超材料的二维表现形式,不仅可以实现对电磁波传播方向、极化状态以及波束方向的控制,而且在天线设计方面也具有巨大的应用价值。因此,本文以超表面结构为基础,研究分析其基本特性,对基于极化扭转型超表面(PRMS)的宽带低剖面圆极化天线及阵列做了深入研究,主要内容如下:1.研究了超表面结构的基本特性并对影响其反射特性的参数做了分析。着重分析了扭转型超表面的极化扭转特性,并分析了影响极化扭转特性的参数。2.提出了一种新型的低剖面双圆极化超表面天线(MSA)。此天线可实现宽带宽波束左旋和右旋圆极化辐射。天线的辐射结构是基于切角型极化扭转型超表面(PRMS)单元组成的阵列,馈电部分是一个可提供两个垂直线极化馈电的交叉十字缝隙同层双极化馈电结构。由于极化扭转超表面单元的宽带和宽波束极化扭转特性,此超表面天线可以在两种极化状态下均获得较大的轴比带宽和轴比波束宽度。在此基础上,采用顺序相位的馈电网络,将所提出的双圆极化超表面天线扩展为2×2双圆极化超表面天线阵列,获得了更宽的阻抗带宽(>36%)、轴比带宽(>22.4%)和更高的增益(>11 dBi)。该工作在IEEE Antennas Wirel.Propag.Lett.(中科院三区)期刊上发表了论文1篇,并发表了1篇EI收录的国际会议论文(2018年iWAT国际学术会议)。3.提出了一个新型超宽带圆极化超表面天线阵列。此天线可实现圆极化带宽高达103.6%的圆极化辐射性能。首先设计了一款超宽带圆极化的四端口馈电网络,主要通过弱耦合传输线来实现超宽带的移相结构,从而实现给2×2的天线阵列提供四路幅度相等、相位序列递增(分别为0o、90o、180o和270o)的信号。在此基础上,将所设计的四端口馈电的圆极化馈电网络,与2×2超表面圆极化天线阵列相结合,构建了一个超宽带圆极化超表面天线阵列。4.提出了一款新型双圆极化轨道角动量天线。基于第三章设计的双圆极化超表面天线阵列,将馈电网络改成一个四端口幅度和相位均相等的馈电网络,并结合相邻单元极化相互正交的2×2圆极化超表面天线阵列,提出了一款双圆极化轨道角动量天线。此天线在左旋和右旋圆极化两种状态下均能获得较宽的阻抗带宽和轴比带宽,并且可获得较为稳定的增益。通过分析此天线的远场相位分布图,可以发现此天线在左旋和右旋两种状态下的模式数分别为l=-1和l=+1,证实了该双圆极化超表面阵列天线产生轨道角动量波束的可行性。