电离层是地球上空60-1000km范围内大气层的一部分,其中含有大量的带电粒子,是天然的短波通信传播媒介,对无线电波的传播产生着显著影响。为了充分利用它为人类服务,需要对其进行长期不间断探测,电离层无线电探测方法是一种古老且经济有效的方法,而VHF（Very High Frequency）电离层相干散射雷达和电离层数字测高仪是这种方法中最常使用的两种探测设备。在这两种探测设备中,天线系统是最重要的组成部分之一,其性能优劣直接决定仪器对电离层探测的精确度和可靠性。为此,本论文主要针对两种探测设备的天线系统展开工作,主要研究内容如下:首先,详细介绍了天线设计的基本原理以及衡量天线性能的主要参数指标,包括方向图、增益、输入阻抗、驻波比、带宽以及极化等。接着对天线的阻抗匹配进行了分析,讨论如何改善天线的阻抗匹配。同时,对天线的数值分析方法进行研究,并着重分析了矩量法在天线设计中的应用。通过对高频通信过程中传输特性的分析以及天线设计中使用的仿真软件HFSS的灵活应用,为VHF电离层相干散射雷达天线以及电离层数字测高仪天线的设计与实现提供了必要的准备。其次,针对当前电离层相干散射雷达的天线方向性弱增益不高等问题,设计并实现了一种适用于VHF电离层相干散射雷达的定向高增益八木天线。根据对八木天线基本结构和工作原理的研究,并结合折合振子的相关特性分析,确定了天线的初始结构模型,给出了天线的设计指标。同时,利用HFSS电磁仿真软件完成天线的仿真和结构的优化。然后,根据仿真确定的最终天线结构模型制作出天线实物,设计天线对应的阻抗匹配网络,并对天线进行测试。观测结果表明,天线运行良好,各项性能均满足设计要求。最后,为满足PDI2（Portable Digital Ionosonde）敏捷数字测高仪便于流动组网观测的要求,设计并实现了一种宽频带高增益折合偶极子天线。首先,构建折合偶极子天线的初始结构模型,并给出了天线的性能指标。其次,通过仿真软件对不同长度下的折合偶极天线仿真,根据结果选择符合设计要求的折合偶极子天线。天线的尺寸结构确定后,接着制作了天线实物。通过对天线在不同架设高度下增益和驻波比的仿真,选择了合适的高度架设天线。并将制作完成的宽频带高增益折合偶极子天线作为PDI2测高仪的天线进行测试,结果表明所设计的天线达到了预期要求。总之,本文设计并实现了一种适用于VHF相干散射雷达的定向高增益八木天线和一种针对PDI2敏捷数字测高仪的宽频带高增益折合偶极子天线。对制作完成的天线测试其在VHF雷达上的观测效果,并对观测结果进行分析,结果表明天线的各项指标符合设计要求。通过对设计完成的折合偶极子天线搭载在PDI2测高仪上进行测试,测试结果证明了该天线在1-30MHz频率范围内,运行稳定,工作性能良好,满足PDI2测高仪流动组网观测的要求。