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近年来，伴随着无线移动通信的飞速发展，用户对数据的传输速率提出了更高的要求，需要更多的频谱资源支撑新业务和高数据速率传输。毫米波无线通信是第五代移动通信系统（5G，Fifth-Generation Mobile Communication Systems）的关键无线技术之一，得到了广泛研究并已开始实际部署。毫米波无线通信同时也是与后5G的研究热点之一。作为毫米波无线通信系统的关键器件，天线与阵列始终是重点研究内容之一。本文针对应用于毫米波无线通信的宽带天线与阵列开展深入研究，主要研究成果如下：
首先，基于微带贴片天线理论，提出了一种缝隙馈电的低剖面宽带边射贴片天线，解决了传统微带天线工作带宽窄的设计难题。具有边射辐射特性的 TM10模式是贴片天线的主要工作模式之一，而传统 TM20模式不具备边射辐射特性，基于该特性，提出了一种在矩形贴片窄边中央的加载纵缝的结构，在几乎不影响 TM10模式的情况下，改变了传统矩形贴片的 TM20模的电场分布，使得贴片天线可以同时在 TM10模式和改进的TM20模式下实现边射，从而展宽了贴片天线的工作带宽。此外，通过几乎不影响主模工作的两条对称横缝，抑制了 TM12模式，进一步展宽了天线的辐射带宽。一条纵缝和两条横缝加载的矩形贴片呈对称E形，实测结果表明，该对称E形贴片的|S11|小于-10dB的相对带宽为 45.6%；在工作带宽内，天线的方向图稳定，交叉极化低于-16dB；峰值增益为8.5dBi，3dB增益带宽大于30%。除此之外，利用上述多模式谐振机理，设计了一种加载十字缝的方形贴片单元，将该单元与全并馈的馈电网络结合，研制了 8×8 平面边射天线阵。测试结果表明，该阵列的工作带宽为26.4%，峰值增益为26.3dBi。
然后，基于磁电偶极子原理，研制了一种基片集成同轴线（SICL，Substrate-Integrated Coaxial Line）馈电的端射宽带磁电偶极子天线阵列，将宽带馈电网络和宽带天线结合，解决了宽带端射天线阵的设计难题。在研究缺陷地对磁电偶极子的影响以及平面化 L 形探针的基础上，研制了宽带缺陷地端射磁电偶极子天线单元，阻抗带宽53.0%。在研究了宽带阻抗变换结构和T型功分结构基础上，设计了宽带低损耗1分16路的SICL全并馈网络，其工作带宽为109.6%且|S11|低于-15dB插入损耗低于13.4dB。将宽带端射磁电偶极子天线单元与宽带馈电网络结合，实现了1?16的宽带端射天线阵列。实测结果表明，该阵列阻抗带宽为 57.6%，3-dB 增益带宽为 54.5%，峰值增益为19.0dBi。
接着，基于1比特相位补偿原理，提出了一种可以独立控制正交双线极化电磁波的1比特反射阵天线，解决了独立双极化反射阵设计难题。在研究1比特反射阵单元物理机制的基础上，通过控制单元磁谐振及电谐振的频率，设计了一种具有可重构潜力的单层宽带 1比特反射单元，实现了在 180°±20°反射相位差条件下 62.1%的相对工作带宽。该单元在工作带宽内单元交叉极化低于-30dB，正交极化间隔离度良好。利用所提出的单元，分别研制了极化分离的1比特反射阵天线和双极化独立控制的1比特反射阵 天线。极化分离的 1比特反射阵天线可以实现将 45°线极化入射波分解成水平极化-15°的出射波和垂直极化25°的出射波，其峰值增益分别为23.5dBi和24.2dBi，1-dB增益带宽分别为 14.5%和 11.4%；双极化独立控制 1比特反射阵天线，实现水平极化波束-15°波束赋形和垂直极化波束20°波束赋形，其在33.0GHz的增益分别为25.0dBi和25.8dBi， 1.5-dB增益带宽为20.6%。
最后，基于阵列综合理论，提出了一种预相位1比特反射超表面，成功地解决了传统1比特反射超表面在平面波入射时无法实现单波束赋形的固有局限。以垂直入射的平面波为例，利用理论推导和数值仿真，指出了在垂直入射的平面波下，通过在1比特超表面上引入包含两种取值的固定的预相位分布，可以实现单波束的方向图。相比传统的1比特反射超表面，所提出的方案改变了1比特超表面对垂直入射平面波进行单波束赋形时内在的制约。利用同一个均匀随机分布的相位差为90°的预相位分布，研制了0°、15°、30°共三个出射方向的预相位1比特反射超表面，实现了对垂直入射平面波的单波束赋形。仿真和实测结果表明，1比特预相位反射超表面能够在平面波入射的情况下实现反射波的单波束赋形及扫描。
首先，基于微带贴片天线理论，提出了一种缝隙馈电的低剖面宽带边射贴片天线，解决了传统微带天线工作带宽窄的设计难题。具有边射辐射特性的 TM10模式是贴片天线的主要工作模式之一，而传统 TM20模式不具备边射辐射特性，基于该特性，提出了一种在矩形贴片窄边中央的加载纵缝的结构，在几乎不影响 TM10模式的情况下，改变了传统矩形贴片的 TM20模的电场分布，使得贴片天线可以同时在 TM10模式和改进的TM20模式下实现边射，从而展宽了贴片天线的工作带宽。此外，通过几乎不影响主模工作的两条对称横缝，抑制了 TM12模式，进一步展宽了天线的辐射带宽。一条纵缝和两条横缝加载的矩形贴片呈对称E形，实测结果表明，该对称E形贴片的|S11|小于-10dB的相对带宽为 45.6%；在工作带宽内，天线的方向图稳定，交叉极化低于-16dB；峰值增益为8.5dBi，3dB增益带宽大于30%。除此之外，利用上述多模式谐振机理，设计了一种加载十字缝的方形贴片单元，将该单元与全并馈的馈电网络结合，研制了 8×8 平面边射天线阵。测试结果表明，该阵列的工作带宽为26.4%，峰值增益为26.3dBi。
然后，基于磁电偶极子原理，研制了一种基片集成同轴线（SICL，Substrate-Integrated Coaxial Line）馈电的端射宽带磁电偶极子天线阵列，将宽带馈电网络和宽带天线结合，解决了宽带端射天线阵的设计难题。在研究缺陷地对磁电偶极子的影响以及平面化 L 形探针的基础上，研制了宽带缺陷地端射磁电偶极子天线单元，阻抗带宽53.0%。在研究了宽带阻抗变换结构和T型功分结构基础上，设计了宽带低损耗1分16路的SICL全并馈网络，其工作带宽为109.6%且|S11|低于-15dB插入损耗低于13.4dB。将宽带端射磁电偶极子天线单元与宽带馈电网络结合，实现了1?16的宽带端射天线阵列。实测结果表明，该阵列阻抗带宽为 57.6%，3-dB 增益带宽为 54.5%，峰值增益为19.0dBi。
接着，基于1比特相位补偿原理，提出了一种可以独立控制正交双线极化电磁波的1比特反射阵天线，解决了独立双极化反射阵设计难题。在研究1比特反射阵单元物理机制的基础上，通过控制单元磁谐振及电谐振的频率，设计了一种具有可重构潜力的单层宽带 1比特反射单元，实现了在 180°±20°反射相位差条件下 62.1%的相对工作带宽。该单元在工作带宽内单元交叉极化低于-30dB，正交极化间隔离度良好。利用所提出的单元，分别研制了极化分离的1比特反射阵天线和双极化独立控制的1比特反射阵 天线。极化分离的 1比特反射阵天线可以实现将 45°线极化入射波分解成水平极化-15°的出射波和垂直极化25°的出射波，其峰值增益分别为23.5dBi和24.2dBi，1-dB增益带宽分别为 14.5%和 11.4%；双极化独立控制 1比特反射阵天线，实现水平极化波束-15°波束赋形和垂直极化波束20°波束赋形，其在33.0GHz的增益分别为25.0dBi和25.8dBi， 1.5-dB增益带宽为20.6%。
最后，基于阵列综合理论，提出了一种预相位1比特反射超表面，成功地解决了传统1比特反射超表面在平面波入射时无法实现单波束赋形的固有局限。以垂直入射的平面波为例，利用理论推导和数值仿真，指出了在垂直入射的平面波下，通过在1比特超表面上引入包含两种取值的固定的预相位分布，可以实现单波束的方向图。相比传统的1比特反射超表面，所提出的方案改变了1比特超表面对垂直入射平面波进行单波束赋形时内在的制约。利用同一个均匀随机分布的相位差为90°的预相位分布，研制了0°、15°、30°共三个出射方向的预相位1比特反射超表面，实现了对垂直入射平面波的单波束赋形。仿真和实测结果表明，1比特预相位反射超表面能够在平面波入射的情况下实现反射波的单波束赋形及扫描。