随着高功率微波技术的发展和应用需求牵引,高功率、小型化、集成化、波束灵活化已成为目前高功率微波系统发展的主要方向。为了满足应用需求,具有高增益、低剖面、大扫描范围及良好共形能力的高功率微波天线已成为目前的研究热点。然而,现有的高功率微波天线普遍存在波束调控能力不足、调控结构复杂、平台适应性弱等问题,难以满足高功率微波系统多场景、多平台的应用需求。新型人工电磁材料（超材料）的出现及发展为新型高功率微波波束扫描天线的研究带来了契机。作为一种亚波长结构的人工复合材料,超材料与传统天线结合后衍生出许多新的特性,在提高天线的方向性、辐射效率,实现紧凑化、可重构等方面有着独特的优势。在此背景下,本文以提高高功率微波天线的波束调控能力和平台适应性为目标,将超材料引入到了高功率微波领域,探索了多种新型高功率超材料结构,并开展了相应的波束调控技术研究,完成了可行的波束扫描天线方案设计和验证。论文主要研究内容包括以下几个方面:1.基于全金属型超材料的高功率微波反射阵列扫描天线研究为了解决现有的旋转式反射面扫描天线扫描能力不足、扫描风阻大及加工困难等问题,基于传输相位调控机理及几何相位调控机理,分别设计了一种可伸缩式反射阵列单元及一种可旋转式超材料反射阵列单元,并将其运用到了高功率微波反射阵列扫描天线的研究中。其中,设计的伸缩式全金属反射阵列扫描天线具有宽频带工作能力和结构简单、功率容量高等优点;旋转式全金属超材料反射阵列扫描天线则能在保持天线平面构形的基础上实现较大范围内的快速波束扫描,且同样具备较高的功率容量。具体的,可伸缩式反射阵列单元能够在10～13 GHz的频带范围内通过结构的上下移动实现0～360°的线性相位调节,可在15～40°偏馈条件下保持极高的反射率。基于该型单元设计的中心工作频率为10 GHz的全金属可伸缩式反射阵列扫描天线可实现90°锥角范围内的二维波束扫描。在波束扫描过程中,天线增益变化小于3 d B,最大增益为32.8 d Bi,口径效率为54.59%,副瓣电平低于-13 d B,功率容量可达10 GW/m~2量级。不同于可伸缩式单元,旋转式全金属超材料反射阵列单元则利用自身结构的旋转来实现出射相位[0,360°]连续线性可调。在0～36°的入射条件下,该单元可保持98%以上的左旋-右旋圆极化转换效率。基于旋转式反射单元设计的中心工作频率为10 GHz的全金属超材料反射阵列同样可在90°锥角范围内对出射波束进行快速动态调控。在波束扫描过程中,天线的增益变化范围小于3 d B,最大增益为33.05 d Bi,口径效率为58.76%,副瓣电平始终保持在-12.5 d B以下,主瓣轴比优于4 d B。同时,在真空工作条件下,该超材料反射阵列具备5.36 GW/m~2的功率容量水平,能够应用于现有高功率微波平台。2.基于介质埋藏型超表面的高功率波束扫描技术研究为了解决全金属型超材料反射阵列扫描天线轴向尺寸偏大、真空封装难的问题,在高功率及紧凑化等条件的约束下,引入了介质埋藏结构来提高超表面的功率容量,并在此基础上提出并研究了一种具有高功率容量的介质埋藏型超表面反射阵列扫描天线。该天线可直接工作于空气介质中,有利于高功率辐射系统的小型化紧凑化,并可在较大的空间范围内实现对出射波束的动态调控。仿真结果表明,在中心工作频率10 GHz处,设计的超表面反射单元能够在0～10°及16～36°的入射条件下高效地实现圆极化旋向的反转及360°范围内的相位调节。基于该型超表面单元的反射阵列可在90°锥角范围内实现对出射波束指向的自由调控,并具备GW/m~2的功率容量水平。扫描过程中,该反射阵列天线的口径效率始终高于50%,旁瓣电平保持在-15 d B以下。同时,其出射波束的交叉极化分量小于-15 d B,主瓣轴比保持在4 d B以内,圆极化辐射特性良好。在低功率条件下,对设计的介质埋藏型超表面反射阵列扫描天线开展了实验研究。实验结果与仿真结果吻合一致,证实了其在俯仰面的波束扫描能力及600 MHz以上的工作带宽。3.高功率微波线-圆极化转换超透镜研究为了提高波束扫描天线的平台适应性及高功率微波辐射系统的紧凑性,分别基于介质埋藏结构及全金属结构设计了两种高功率线-圆极化转换超透镜,其均能够高效地实现线极化-圆极化转换,且结构紧凑可共形,可作为反射型及透射型高功率圆极化波束调控系统的前级馈源。其中,介质埋藏型线-圆极化转换超透镜集成了介质窗口密封功能和线-圆极化转换功能,可在矩形波导TE10模和圆波导HE11模的馈入条件下实现高效的线-圆极化转换,并优化馈源天线的辐射特性,功率容量为950 MW/m~2。针对多数高功率微波源输出圆波导TM01模或同轴TEM模的特点,进一步提出了适用于旋转对称模式的全金属型高功率线-圆极化转换超透镜。该圆极化超透镜中心工作频率为14.25 GHz,在100 MHz的带宽内具备优异的线-圆极化转换能力、良好的辐射特性及8 GW/m~2以上的功率容量。考虑到加工成本及周期,基于提出的全金属线-圆极化转换超透镜单元设计并加工了工作于4.3 GHz的高功率半波长圆极化器,并开展了低功率实验研究。实验结果表明,在中心频率处,该圆极化器的输出圆极化轴比为0.06 d B,驻波比为1.01,工作特性良好,证明了设计的全金属型超透镜单元的线-圆极化转换能力及可行性。4.基于全金属型超透镜的高功率波束扫描技术研究为了提高现有旋转透镜扫描天线的波束扫描能力和功率容量,提出并研究了一种新型全金属型超透镜结构,并在此基础上构建了可行的透射型高功率波束扫描天线。相比于现有的高功率微波波束扫描透镜天线,该超透镜波束调控系统具有更大的扫描范围、更紧凑的结构尺寸以及更高的功率容量,可在高功率微波实用系统和高功率微波相控阵功率合成中发挥重要作用。对工作于14.25 GHz的波束扫描天线开展了详细的仿真及实验研究。结果表明,两层超透镜组成的高功率波束扫描系统在中心频点处的反射系数始终保持在-16 d B以下,并可实现120°锥角范围内任意方向的波束扫描,设计真空功率容量超过5 GW/m~2。在波束调控过程中,系统的最大增益为36.37 d Bi,口径效率为57.86%,增益变化范围小于3.3 d B,副瓣电平始终低于-10 d B,圆极化辐射特性良好。同时,开展了高功率微波实验研究,在350 MW的注入功率下,设计的波束调控系统能够在SF6气体环境中保持稳定的波束扫描性能,实验测量结果与仿真模拟结果一致,证明了其可行性及实用性。