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天线是无线通信系统的核心部件之一,它的性能很大程度上决定了整个通信系统性能的优劣。随着现代通信系统的发展,现在很多通信设备都越来越小型化和集成化。由于贴片天线具有剖面低、易共形、其工作性能不易受通信设备其余部件的影响、易于与有源电路集成、便于实现圆极化等诸多优点,其在微波波段被广泛的采用。但传统的贴片天线增益较低而且只能实现水平极化,大大的制约了传统的贴片天线在现在通信系统中的应用。本文设计了能够实现垂直极化的磁偶极子贴片天线,并且将超材料应用到天线的设计中,用来改善贴片天线的增益。另外一方面,在实际应用中,无线通信系统的基站包括天线都安装在高层建筑和通信塔上,这就导致了天线的主波束需要倾斜一定的角度。因此,本文设计了两款基于超材料的波束倾斜天线。本文取得的主要成果为:1.当传统的平面工字型谐振器与垂直极化的天线集成到同一介质基片上,工字型谐振器不能被激励。针对这个问题,本文提出了一种具有3D结构的垂直工字型谐振器。这种垂直工字型谐振器周期排列可以构成一种单负(SNG)超材料,在频率低于谐振频率时超材料具有较高的折射率,并且采用S参数提取法得到了所设计超材料的电磁参数。2.根据传统的八木天线和超材料,设计了基于超材料的磁偶极子八木天线I,此天线由一个引向器、一个反射器和磁偶极子天线组成,最后的仿真结果表明天线的增益得到了显著的提高并且能够实现垂直极化。根据传统八木天线的经验可知,随着引向器个数的增加天线的增益会随之提高。为了进一步提高天线的增益,设计了基于超材料磁偶极子八木天线II,与八木天线I不同的是该天线有四引向器。最终对八木天线I和八木天线II进行加工和测试,测试结果与仿真结果基本吻合,进一步说明了设计的可实现性。3.根据磁偶极子天线和超材料,设计了基于超材料的波束倾斜天线。仿真结果表明天线的主波束在H面能够倾斜的角度为17?,而且天线的增益也有一定的提高。为了进一步提高天线波束倾斜的角度,设计了基于梯度折射率的波束倾斜天线。仿真结果表明该天线能够实现主波束倾斜的角度为23?。