随着通信技术的不断进步,多功能化已经成为无线通信系统的一大发展方向,天线作为无线通信系统的关键组件,也需要满足多功能的需求。相控阵天线在阵列天线的基础上,在相邻阵元间引入相位差来实现波束扫描的功能,在军事和通信领域均有广泛的应用。可重构天线也是多功能天线发展的一大方向,可通过射频开关切换工作状态。与此同时,由于频谱资源的紧缺,现代通信、雷达等系统的工作频带正逐步向毫米波拓展。因此,设计面向毫米波的多功能天线至关重要。超表面（Metasurface）结构作为一种二维超材料,因其对电磁波独特的调控能力备受关注,被广泛应用于通信系统组件中。本文主要研究了超表面结构在毫米波相控阵天线和可重构天线中的应用,针对传统射频开关在毫米波损耗大、隔离度差等问题,研究了二氧化钒（VO2）这一相变材料的特性及其在毫米波电路和天线中的应用。具体内容如下:1.超表面结构基本特性和馈电方法研究。对超表面结构的同相反射特性进行了分析,在此基础上,将超表面结构作为天线的辐射体,研究了微带线激励缝隙馈电、CPW激励缝隙馈电和微带线耦合馈电三种馈电方式,设计了一系列基于多种馈电结构的低剖面超表面天线。2.面向5G通信的毫米波超表面相控阵天线研究。基于LTCC工艺,分别采用非对称微带线馈电、双层带状线馈电和双层缝隙耦合馈电三种馈电方式,设计了三种宽带低剖面的双极化超表面天线单元,利用双层缝隙耦合馈电方式实现了具有高极化隔离的毫米波双极化超表面天线。针对5G通信波束扫描的需求,将超表面天线单元组成了4×4的阵列,首次将双极化超表面天线应用于相控阵列,并实现了±50°波束扫描。3.二氧化钒薄膜相变特性及其在毫米波传输线电路中的应用研究。分析了VO2薄膜的相变机理,在此基础上,研究了激励VO2薄膜相变的方法,采用纯温控、纯电控、温控+电控三种方式进行调控,对比分析了每种方式的效果和优劣性。基于以上分析和研究,将VO2薄膜应用于传输线电路中,分析了VO2薄膜在微波/毫米波频段的传输特性和寄生效应,为后续将VO2薄膜应用于天线提供理论依据。4.基于二氧化钒薄膜的毫米波频率可重构超表面天线设计方法研究。从等效电路的角度分析了共面紧凑型超表面结构（UC-PBG）的谐振特性,通过加载VO2薄膜,实现了频率可重构的超表面结构;首次提出了基于VO2薄膜相变特性的毫米波频率可重构超表面天线,采用脊波导馈电,平行双缝耦合电磁波的方式激励天线,采用温控+电控的方式控制VO2薄膜相变,实现了频率可重构,为现代无线通信/雷达系统天线和其他器件实现可重构提供了技术参考。