卫星通信技术及各类无线通信技术的发展,对天线在高增益、高抗干扰性、低副瓣等方面的性能提出了很高的要求。全息天线是一种高增益天线的实现形式。传统的全息天线,通常采用各向同性的参考波,通过构造具有特定形状的全息图,实现特定方向的高增益波束辐射。当全息图采用同心圆结构时,只能实现法向辐射,且由于开阻带效应的存在,难以获得很高的增益。在天线口径不变的情况下,随着主瓣方向偏移法向的幅度增大,天线增益迅速减小,使天线口径效率急速下降。导致这一现象的原因,除了“等效口径面积”的减小,不对称全息图带来的口径各方向辐射效率差异,也是导致口径效率下降的重要原因,限制了全息天线高增益性能的实现。为了解决这一问题,本文提出了一种全息天线新的实现方法,基于人工表面等离子体激元结构,设计了可实现任意倾斜波束、具有高增益特性的新型全息天线。本文主要工作及创新点如下:1.提出了全息天线新的实现方法:首先,构造具有同心圆形式的全息图,并保持该全息图形状不变;其次,根据所需的波束方向(法向或任意倾斜角度),计算相应的参考波形式,使参考波具有各向异性特点;然后,采用该参考波激励同心圆全息图,使产生的目标波实现预期的辐射角度,同时具有高增益、高口径效率的特点。2.研制出三种新型二维线极化全息天线。(1)基于人工表面等离子体激元(SSPPs)传输线结构,提出了二维线极化圆形介质板全息天线,提出了一种“同轴-微带线-SSPPs”的中心馈电结构,实现了对二维全息天线的馈电。所提出的馈电结构可以使能量从同轴线中的TEM模式,过渡到微带线中的准TEM模式,并进一步平稳转换到SSPPs传输线的复合波模式。这种天线在实现倾斜波束辐射时,相比于传统方法的二维全息天线,有更好的辐射特性,但会伴随上下半空间的双波束辐射现象。(2)提出了基于分裂介质板的二维线极化全息天线。在深入研究介质板宽度对天线辐射特性的影响后,用分裂介质板的方式解决了双波束辐射问题,实现了半空间单波束辐射,并大幅提高了主波束增益。(3)提出了二维旋转扰动线极化全息天线。根据全息理论,在线极化全息天线中,在φ=±90°方向附近的扰动结构对天线增益贡献较小。本文采用旋转扰动的方法提升了φ= ±90°方向附近的扰动结构对辐射场的贡献,进而提高了天线增益。最后加工实物,验证了新方法。3.提出了两种新型二维圆极化全息天线。(1)基于所提出的全息天线新的设计方法,提出了具有圆形介质板的圆极化全息天线。在二维线极化圆形介质板全息天线的基础上,利用全息天线新方法和圆极化扰动实现了任意主瓣方向、具有较宽轴比带宽的圆极化辐射波。(2)在讨论介质板宽度对天线辐射特性的影响后,得到辐射特性更好的二维分裂介质板圆极化全息天线。最后加工了实物,验证了新方法。4.提出了一维线极化和圆极化全息阵列天线。基于SSPPs传输线结构和全息天线新的设计方法,利用一分二功分器分别实现了具有良好辐射特性的一维线极化和圆极化全息阵列天线。