现代通信、雷达、成像、射电天文、高功率系统等军用和民用领域对天线辐射性能提出越来越高的要求，不仅需要工作在超宽频带内，而且在整个频带内具有稳定的辐射性能。超宽带高增益定向天线单元及阵列的设计已成为国内外天线研究领域的热点课题之一。常规的宽带定向天线如喇叭天线和抛物面天线虽能实现高增益，但其重量大、成本高、体积大、不易与微波电路集成;印刷对数周期天线、八木天线仅能在有限的频带内实现高增益。锥削槽天线(TSA)是一种典型的端射行波天线，具有大带宽、增益适中、成本低、易于集成的优点。但由于电尺寸的制约，此类天线的阻抗带宽和辐射性能不能兼顾，极大的限制了其应用范围。在此背景下，本文主要进行了超宽带高增益锥削槽天线的相关研究，解决了超宽带锥削槽天线在整个频带内的辐射稳定性问题，并进行了相应的实验验证，以证明所提出的设计方法的可行性。　　论文的研究内容和研究成果包括以下五个方面:　　1)研究并设计高性能超宽带对踵指数锥削槽天线(AVA)。针对常规超宽带AVA天线低频方向性弱、阻抗失配和高频裂瓣、波束倾斜等问题，设计了一款结构紧凑性能稳定的超宽带AVA天线。研究了波纹边缘对天线阻抗带宽的影响，提出梯度倾斜波纹技术改善天线低频性能，通过优化倾斜波纹尺寸及角度，有效降低低频截止频率，通过合理分配梯度值改善带内失配。研究了寄生贴片对天线高频性能的影响，采用不对称菱形寄生贴片改善高频辐射性能，通过延长锥削槽内寄生贴片的长度以增强高频端天线辐射臂之间的耦合。通过两种方法的结合，该超宽带天线在2.88-43.5GHz的带宽内实现稳定的辐射，端射增益在5.4-13.7dBi之间，天线尺寸仅为0.38λL×0.7λL。　　2)提出近场超材料透镜加载Vivaldi天线结构。针对球面波辐射模式引起的口径相差对天线辐射造成的负面影响，提出近场超材料相位补偿透镜(PCL)加载Vivaldi天线。对近场介质透镜加载理论进行了分析和理论推导，验证PCL对Vivaldi天线增益的改善作用。提出利用超材料单元构建PCL，理论上推导了透镜超材料单元布局的计算方法。针对3.5-16GHz的共面Vivaldi天线，分别设计出单层和多层中频(10GHz)和高频（15GHz）PCL，并对比了该方法与常规超材料加载的增益提升效果，验证了该方法的优越性。　　3)提出介质覆层和超材料覆层TSA天线结构。针对现有以牺牲天线剖面高度为代价的改善天线辐射性能方法，提出介质覆层结构构建高增益超宽带TSA天线。理论上分析了覆层介质对传输模式的改变，研究了覆层用介质板参数对TSA天线阻抗带宽和增益的影响。分别研究了常规介质板和赋形介质板两种覆层结构对TSA天线性能的提升作用，总结出相应的设计流程。研究了介质覆层结构对超宽带对踵TSA线的交叉极化电平、波束指向、增益性能的改善效果。提出了超材料板覆层高增益超宽带AVA天线。利用薄超材料板来代替厚介质板构建覆层结构，降低了天线的重量和成本。　　4)研究并设计毫米波基片集成波导(SIW)对踵TSA天线阵列。针对毫米波段SIW对踵TSA天线阵列增益奇点以及带宽较窄等问题，提出了一种新型的超宽带高增益SIW对踵TSA天线阵。对对踵TSA阵列增益奇点产生的原因进行了理论分析，提出交叠相邻天线单元的辐射臂并在交叠区域开金属化过孔消除增益奇点，结合介质覆层结构，进一步提升了阵列增益。提出弯SIW代替常规直角转弯SIW结构拓展SIW功分器的阻抗带宽。　　5)研究并设计X波段Vivaldi阵列天线。研究弱耦合环境下，有限大Vivaldi天线阵列边缘单元辐射性能与阵列其他位置单元辐射性能的差异，以及边缘单元对阵列整体性能的影响。提出修正边缘单元以补偿位置差异引入的阵列性能恶化的思路，并采用波纹边缘加载边缘单元的方法提升阵列的增益，设计了一款X波段高增益Vivaldi阵列天线。