随着超宽带系统的日新月异,对超宽带天线和阵列的需求也是越来越强。在形式多样的超宽带天线中,尺寸小型化、重量轻薄化、频域超宽带、时域高保真成了众多学者设计的综合目标。在民用通信、森林防火和军用雷达、探测隐身、主动防御等方面,超宽带天线及其阵列的应用相当广泛。本文分别对超宽带天线中的Vivaldi天线、平面螺旋天线和平面单极子天线进行了研究和设计,全面分析了这几种天线的时域与频域特性。Vivaldi天线结构简单,易于集成和组阵。本文设计了异面双指数曲线边缘的Vivaldi天线,并加入超宽带线性巴伦,实现巴伦和天线的一体化设计,在0.3~5GHz频段内,实现了反射系数低于-10dB,带内最大增益为8dB,时域波形保真度高,并与未加巴伦时天线进行了比较。以未加巴伦时天线为例,使用CST 2008软件仿真分析了多个Vivaldi天线单元组成的线阵特性与天线单元之间距离的关系,从最低工作频点、各单元天线的反射系数、远区场电场监测电压等多方面对线阵进行了评价与分析比较。根据传统的平面螺旋天线设计规律,设计并加工了一款阿基米德天线,加载电阻后用矢网E5071C测试,在2~7.5GHz实现了阿基米德天线的反射系数低于-10dB;结合阿基米德天线和等角螺旋天线的特点,对螺旋臂的曲线方程进行了改进,并且通过加载的方式拓宽了天线的阻抗带宽,在2.5~10.6GHz实现了改进型螺旋天线的反射系数低于-10dB。从频域的辐射方向图和时域的电场监测波形对这两种天线进行了比较,改进型螺旋天线在8GHz以上的频段其增益提高了1~2dB,且电场波形保真度更高、峰峰值更大,便于在超宽带系统中的应用。本文还设计了小型化新型铲形单极子天线,由共面波导馈电,易于集成与光刻加工。扫描了单极子天线的结构尺寸,在26×30mm2的介质板上,实现在3.1~10.6GHz频带内反射系数低于-10dB,带内各频率稳定均匀的方向图,最大增益为3.4dB;随后,根据电流分布图分析铲形贴片,挖去狭长的椭圆形槽口,实现了能够更高效辐射的杈形单极子天线,在3.1~10.6GHz频带内反射系数比原来的铲形单极子下降了5dB左右,而方向图和远场区电场波形及最大辐射方向的峰峰值无明显变化。然后,在杈形单极子天线的基础上利用缺陷地实现针对性带阻,分别设计了圆环形和U型槽口两种新型带阻单极子天线。在3~11GHz频带内其他频率实现驻波比低于1.5,而在包含WLAN工作的4.8~5.9GHz频带内实现了驻波比最高值为10:1,带阻效果明显。同时保证了其他频段的方向图稳定均匀,及远场区监测电场的波形保真度与峰峰值。此两类天线能够与WLAN很好兼容,避免互相干扰。最后,对本文的主要工作和创新点进行了总结,并对未来的超宽带设计工作做了展望。