超材料平面电磁透镜具有宽带工作能力,在特定孔径面上可以实现探测,通信,侦查等功能,达到多种功能综合在同一孔径面上的效果。与馈源天线相结合可以大幅度提升天线增益。与传统高增益天线如相控阵,介质透镜天线和反射面天线相比,平面透镜天线具有馈电网络简单,低剖面性和电磁相位可调节等优势。但目前还存在一些挑战性问题需要解决:透镜单元相位调节能力有限,难以灵活调节孔径和焦距;目前透镜单元通常采用层间四分之一波长空气层间隔的多层级联结构,透镜在厚度、损耗和匹配方面存在问题;透镜天线在斜入射情况下性能不佳,角度超过±45增益会大幅下降。本文重点研究超宽带广角入射和低剖面超材料电磁透镜的设计方法,设计了工作在X波段和毫米波段的两款超材料平面电磁透镜,主要工作和创新点如下:首先,在研究电磁透镜的基本工作原理的基础上,为了增加透镜单元相位调节能力,提高孔径利用率,使用小型化频率选择表面的设计方法,基于三阶带通切比雪夫I型滤波器的等效电路模型,优化设计了一组具有更广的相位调节能力的X波段透镜单元,CST仿真结果表明该组透镜单元达到360度全周期相位调控的效果。然后,基于上述透镜单元和真实时延的方法,设计了孔径达到全周期的X波段透镜,由于透镜单元采用多层耦合设计,无需层间间隔1 4波长空气层也可以做到良好匹配,大大降低了厚度,设计的X波段透镜厚度为2.6mm。设计了贴片天线和Vivaldi天线用作透镜的馈源。通过软件CST仿真,透镜在中心频率10GHz天线垂直入射时增益达到21.25dBi,带宽基本覆盖8GHz-12GHz,设计的透镜在±30以内具有良好的扫描性能。接着,研究了毫米波透镜天线的设计方法。为了增加透镜广角扫描性能,在使用设计的全周期毫米波透镜单元的基础上,利用分块设计与斜入射补偿的方法优化调整透镜孔径上的单元相位分布,设计了一款多周期高增益广角扫描透镜。使用宽带毫米波贴片天线作为仿真馈源,CST仿真表明设计的广角扫描透镜在垂直入射时增益达到27.3dBi,扫描角为±30时增益下降1.5d B,扫描角为±45时增益下降2.5d B,扫描角为±60时增益下降6.4d B,具有良好的广角扫描性能。最后,利用研制的毫米波贴片天线,对双周期毫米波透镜进行实验验证,实验结果表明在频率为30GHz天线垂直入射时,透镜天线增益达到24.1dBi,提升毫米波贴片天线15.4d B的增益,实验和仿真结果吻合良好,毫米波透镜天线带宽达到28GHz-32GHz。