毫米波通信系统频谱广泛、数据传输迅速,被广泛应用于点对点、点对多、无线通信系统和雷达中。但是由于毫米波频段传输具有较高的路径损耗,因此高增益和宽频带扫描天线在毫米波通信系统中极受欢迎。近年来,透镜天线的研究引起了人们的关注,因为透镜可以在大范围内提供波束扫描,因此在毫米波频段极具竞争力。本文围绕高方向性系数和宽角度扫描的问题,提出了有效的解决思路和方法,并设计和分析了两种介质透镜天线的特性,其主要工作内容具体如下:1、对复杂的、电大尺寸的阶梯介质透镜而言,一种有效的设计方法被提出来。该方法包含了两个设计步骤:透镜初始形状的设计和两个嵌套的优化分析。透镜初始形状的设计是基于几何光学原理。在优化设计中,采用准-2D模型来代替3D透镜来提供相似的仿真结果。该准-2D模型的仿真时间和内存要求被极大的降低,从而适用于优化计算。另外,优化中涉及馈源阵列单元的馈电系数的优化,该优化只需进行一次全波仿真。因此,设计的方法对于电大尺寸的阶梯介质透镜天线的设计十分高效且相对精度较高。2、基于提出的设计步骤,本文设计研究了可应用于5G通信的、分别工作在28 GHz和39 GHz的两个阶梯介质透镜天线。天线由新型介质阶梯渐变透镜和相控馈源阵列组成。馈源单元是多层贴片槽耦合的微带天线结构。工作在28 GHz的天线可实现高增益和0?~58?范围的连续扫描,而工作在39GHz的透镜可实现45?~80?的高增益、环焦扫描。为验证设计的正确性,采用3D打印技术加工了28GHz的透镜天线并测试。测试结果显示透镜可实现58?大角度的扫描,扫描时增益下降3.1dB,这也验证了仿真结果的准确性。