近年来,现代无线系统飞速发展,相关技术日新月异。天线作为无线系统中不可或缺的一个关键部分,其设计正面临着日益严峻的挑战。宽带化、小型化、高增益、低剖面、可重构等天线性能越来越受到天线设计者们的关注和重视。由于具有抗多径效应和极化失配的能力,圆极化天线在无线通信系统中被广泛应用。为了增加系统通信容量,宽频带/多频带圆极化天线正逐渐成为研究热点。人工电磁材料(Metamaterial)是一类人工复合材料,通过设计可以具有天然材料所不具备的超常物理特性。其科学意义及应用价值已引起高度关注。基于人工电磁材料的小型化天线、高增益天线、可重构天线以及新型波束扫描天线均成为近几年的研究热点。论文首先针对平面印刷圆极化天线进行了研究,设计了几种新型宽频带/多频带高性能圆极化天线。其次,结合人工电磁材料技术,设计了几种高性能印刷天线。最后,基于基片集成波导技术,设计了几种新型复合左右手漏波天线阵列。论文的主要研究成果可以归纳为:1.宽频带/多频带平面印刷圆极化天线设计。首先,设计了一种新型双频带圆极化天线。引入非对称地和变形单极子结构使天线具有双频圆极化工作特性。所设计天线结构简单紧凑,易于集成。其次,利用覆层加载技术设计了一种新型叠层宽带圆极化天线。通过加载方形环结构进一步拓宽了天线的圆极化带宽。研究表明上层圆极化辐射器的引入使得天线的圆极化带宽从2.2GHz增加到3.85GHz。同时所提出的新型叠层宽带圆极化天线还具有平稳增益特性,天线在4.75-8.2GHz频带范围内增益波动不超过1dBic。最后,利用微扰技术设计了一种新型宽带圆极化天线。利用L形微扰枝节产生了多个圆极化谐振模式,从而拓展了天线的圆极化宽带。实测结果表明该天线的圆极化带宽为72.4%。与现有文献中的同类天线相比,该天线具有更宽的工作带宽。2.基于二维人工电磁材料的高性能印刷天线设计。首先,基于容性电抗表面设计了一种结构紧凑的锥形波束圆极化天线。采用圆形贴片和镰刀状枝节作为辐射单元,并形成圆极化锥形波束。引入了电抗表面使天线具有紧凑结构,其尺寸仅为0.66λ×0.66λ×0.066λ。该天线在θ=48°方向辐射全向圆极化电磁波。其次,基于二维人工电磁材料设计了双频带频率可重构天线。通过改变人工电磁材料覆层的相对位置对其等效本构参数进行调节,形成频率可重构特性。所提出可重构天线的低频频率可调范围为13.14%,高频频率可调范围为9.4%。3.基于全模基片集成波导的复合左右手漏波天线阵列设计。首先设计了一维单列漏波天线阵列。提出了改进型蘑菇结构单元,并在此基础上给出了对应的一维单列漏波天线阵列结构,通过电场分布证明了该结构的左右手特性。所设计的单列天线阵在13.5-17.8GHz频带范围内具有87°的波束扫描范围,且在波束扫描面上交叉极化电平值低于-27dB。其次,为了进一步降低非波束扫面上的交叉极化电平值,设计了一维双列复合左右手漏波天线。分析了双列单元的远场特性,利用差分馈电原理降低了天线的交叉极化电平值。该双列天线的主波束在9.7-16.4GHz的频带范围内具有101°的波束扫描范围。同时,天线在波束扫描面与非波束扫描面上的交叉极化电平值分别低于-30dB和-20dB,具有良好的极化纯度。4.基于半模基片集成波导的复合左右手漏波天线阵列设计。设计了半模天线单元,提取了对应的等效电路并对其进行了验证。在此基础上,基于差分馈电原理设计了背靠背结构的半模复合左右手漏波天线阵列。探究了背靠背布阵方式对天线极化纯度的影响。该天线阵列主波束在9.8-16GHz的频率范围内可以从-60°连续扫描到+30°,且在扫描面上的交叉极化电平值低于-30dB。为了取得更加灵敏的波束扫描特性,基于半模单元设计了一种弯折线加载的复合左右手漏波天线阵列。研究表明,通过加载弯折线结构,天线能够在保持波束扫描范围不变的条件下减小1GHz的工作带宽。