超表面是一种亚波长的人工电磁结构,可灵活有效的调控电磁波的幅度、相位和极化方式等。近年来,相位调制人工电磁结构材料成为多波束天线研究的重要课题。传统的多波束天线多采用相控阵式,存在体积大、成本高、系统复杂等问题。将相位调制人工电磁结构材料引入到多波束天线设计中,不仅可以减小天线剖面,还可对馈源进行灵活的相位调制从而实现增益提升和波束扫描。本文以基于人工电磁结构的高增益、多波束天线为研究课题,围绕相位调制超表面在提升增益和波束扫描器件的方向展开研究。主要研究内容分为三部分:第一部分针对目前超表面存在的工作带宽窄、相位调制范围较小等问题,基于等效电路原理,采用多层级联结构,提出了一款宽带超表面单元,该单元可实现20%以上的相对带宽、300°以上的传输相位调制范围,并提出了双焦点超表面的相位补偿公式;其次基于奇模激励技术设计了一款具有对称双波束辐射的源天线,将该天线与所设计的双焦点超表面集成,大大提高了源天线的远场增益。第二部分针对毫米波波段的圆极化天线面临的路径损耗大、传输距离短等问题,提出了一款基于极化不敏感超表面的宽频带、高增益、双波束圆极化天线。首先基于奇模激励技术设计了具有宽频带、双波束、右旋圆极化辐射特性的源天线。其次,提出了一款对极化不敏感的超表面单元,该单元对入射角为35°的TE、TM波的传输响应十分接近,且能在宽带内覆盖320°以上的传输相位范围。根据等光程原理,基于该极化不敏感单元设计了一款具有双焦点的超表面,最后,将该双焦点超表面与源天线集成,大大提高了源天线的轴比带宽和远场增益。第三部分针对目前基于超表面的动态多波束天线存在的旁瓣电平大、扫描角度小等问题,提出了一款基于超薄高透性超表面的宽角、低旁瓣波束扫描天线。首先提出了一款圆形空腔天线单元,将其按错落式排布并作为馈源,单元间的相互耦合被抑制到-20 d B以下。其次,提出了一款具有360°相位调制范围、高透射率的超薄超表面单元,通过引入金属通孔,大大增加了单元的相位调制范围和透射率。最后,基于该超表面单元,设计了一款相位分布为抛物面分布的超透镜,将该透镜与源天线阵列集成,通过激励不同位置处的源天线单元,在φ=45°、φ=0°和φ=90°平面分别实现了[-53°,53°]、[-60°,60°]和[-59°,59°]的扫描范围,在扫描过程中,旁瓣电平始终小于-10 d B;通过同时激励多个天线单元,可实现多波束。