天线是通信和雷达系统射频前端的重要组成部分。近年来,数字电路、信号处理、计算机芯片制造、软件工程等技术领域取得了突飞猛进的发展,通信系统中端和后端已基本实现了全数字化的信号处理功能。但是,作为通信系统最前端的天线模块,由于若干技术限制仍保持其传统的模拟化工作模式,与中后端信号数字化的工作模式非常不匹配,这样制约了整个通信系统的升级和更新换代。因此,为充分地实现数字化重构功能赋予现代通信系统的高度灵活性,作为射频模块硬件核心的可重构天线技术成为迫切需要解决的问题。目前可重构天线领域的研究方向有如下几方面:小型化、重构功能多样化、瞬时宽带重构、频段大幅度重构等,而频率可重构天线领域需要解决的主要问题是提高频段重构范围和拓展频段的瞬时带宽。本文通过对钛酸锶钡材料和电磁超表面材料的调谐性能分析,探究了基于这些新型材料的天线频率重构机制,设计并制备出辐射性能稳定且调谐性能良好的天线单元样品,实验验证了上述新型材料用于频率重构天线,可提高天线中心频率的重构范围和拓展频段的瞬时带宽。钛酸锶钡(Barium Strontium Titanate,BST)薄膜在GHz频段调谐特性良好,介电损耗非常低,适于实现天线频率的重构,但该材料介电常数较高,会造成很严重的电磁波阻抗不匹配,也会产生非常明显的表面波效应,造成天线辐射效率过低。本文从电磁场的腔模理论出发,通过对理想馈电情况的合理近似,给出了较为准确的基于BST材料的天线频率重构方程。同时,针对波阻抗失配问题,设计了缝隙耦合式的天线馈电结构,并进一步设计了高通低阻微带滤波器,降低了介质表面波和外加偏置电流对天线辐射的不利影响。基于上述理论研究,本文设计并制备了调谐幅度超过10%的频率可重构天线样品,其频段内中心最大增益均大于6 d B,调谐幅度不仅达到了基于传统调谐方式的重构水平,且调谐潜力更大,辐射性能更加稳定。在前面频率可重构天线研究工作的基础上,针对可重构天线的瞬时带宽过窄问题,本文提出并研究了纵向寄生耦合的频段拓展模型,给出了该模型中心谐振频率的设计公式,并通过在BST材料上方加载独立的FP腔,引入了额外的谐振频段,且该频段的中心频率可随BST介电常数的改变而同步移动。这样一方面拓展了天线的瞬时带宽,另一方面使得该瞬时带宽也可以通过外加电场的控制进行重构调谐。基于上述研究,本文制备出瞬时带宽达到23%的频率可重构天线单元样品,远大于其他可重构天线7%左右的瞬时带宽,并且天线样品的中心频率依然能够保持10%左右的调谐范围。通过对基于调谐材料的频率可重构天线的研究和分析发现,大多数天线频率重构均依靠改变天线的有效电尺寸,即改变电磁波的波程,这一思路虽然可以实现在调谐范围内的连续覆盖,但是受限于基底材料的调谐能力,天线的重构范围不可能实现大幅度的频段跳越。针对这一瓶颈,本文提出了基于突变相位的天线频率重构思路。同时,通过对超表面突变相位的研究,给出了透射突变相位的设计公式,设计出了特定透射功能的超表面结构,并在实验上获得了验证。在此项工作的基础上,我们探索并研究了基于理想突变相位的微带天线频率重构机制,给出了理想情况下基于突变相位的微带频率重构公式,理论上设计出了能够实现122%调谐幅度的可重构天线模型。针对超表面结构无法嵌入微带天线剖面的问题,本文采用了波导天线作为可重构的模型,研究了基于超表面相位突变的波导天线频率重构机制。同时,通过对反射型超表面的设计,得到了特定反射相位色散的反射超表面结构。最后,利用不同反射面的切换实现了天线工作频率的重构,理论和实验结果均显示,采用这一思路得到的可重构天线,其中心频率可跳越式地改变,调谐范围可达到26.7%左右,远大于电磁波波程改变所获得的调谐范围。