天线是未来毫米波通信系统最重要的部件之一,但由于在毫米波频段传输损耗较高,因此研究设计高增益的天线及阵列更适用于毫米波通信系统。微带天线存在带宽较窄、增益不平稳的问题;电磁偶极子天线可以实现较宽的匹配带宽和频带内稳定的增益,然而其剖面一般约大于四分之一波长,且实现的平均增益一般约为8 d Bi还有一定的提高空间。基片集成间隙波导（Substrate integrated gap waveguide,ISGW）,具有自封装和低传输损耗的特点,能够解决微带传输线（Microstrip transmission line,MSL）在毫米波频段存在较大传输损耗和背向辐射的不足。因此,本文遵循着电磁偶极子天线的设计原理和ISGW的设计理念,研究工作如下:1.针对毫米波传输损耗高且电磁偶极子天线的增益还有一定的提升空间,本文提出了基于ISGW的高增益电磁偶极子天线及其阵列。与典型的电磁偶极子天线设计不同,本文在电磁偶极子天线中巧妙利用ISGW的表面电流构造了一个电流环路,增强了磁偶极子的强度从而实现高增益的提升。天线单元的工作频段覆盖N257（26.5-29.5 GHz）和N258（24.25-27.5 GHz）毫米波频段,|S11|＜-10 d B的相对带宽为22.5%,平均增益高达9.56 d Bi,实现了稳定的增益和方向图;相比于同类型的此天线,增益提高了约1.5个d Bi。为了进一步提升增益,设计了1*4的天线阵列。天线阵列的工作频段覆盖N257和N258频段,工作频带24 GHz-29.35 GHz,最大增益可达16.27 d Bi,且频带内增益、方向图稳定。与其它同类型天线进行对比可以发现,本文所设计的单元和阵列均实现了较高的增益,更适用于未来的5G毫米波通信系统。2.组阵列可以提高增益,但整体的结构尺寸会增大;在天线上方加载超材料透镜可以实现增益的提升,但实现的增益在频带内存在波动较大或带宽较窄不足。为了控制天线的整体尺寸且实现稳定的增益提升,本文基于ISGW研究设计了工作在5G频段的小型化电磁偶极子天线和超材料透镜天线。首先介绍了小型化的天线单元,与传统的四个贴片形式相比,本设计的一对电偶极子可以减小辐射部分的尺寸且保证天线的辐射性能,天线的整体尺寸为0.440*0.1240*0.180,比同类型的电磁偶极子天线尺寸有一定的降低。仿真结果表明,天线工作在5G毫米波频段,|S11|＜-10 d B的工作带宽为24.19-28.77 GHz,实现了频带内稳定的方向图和增益,并且平均增益7 d Bi。其次,为了进一步提高增益,进行了超材料透镜天线的设计,详细介绍了所设计的超材料透镜,分析了工作原理,对单元的排列进行了分析,并研究其波束扫描特性。所设计的电磁偶极子透镜天线带宽25.25-29.63GHz,平均增益大于9.3 d Bi,并进行了加工测试,测试结果与仿真吻合;相比不增加超材料透镜的设计,实现了平均高于2.3 d Bi稳定的增益提升。