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当前,毫米波无线通信已成为新一代宽带无线移动通信的研究热点。作为毫米波无线通信系统中不可或缺的关键器件,高性能的平面天线正得到广泛研究,并陆续得到实际应用。圆极化天线及阵列具有可降低多径效应的影响,对线极化电波的极化不敏感,左右旋圆极化之间的极化正交性,可使发射及接收天线间的相对姿态更加灵活等优势。因此,圆极化天线与阵列被广泛应用于许多现代无线移动通信系统,以提高无线通信的链路质量。本文针对毫米波平面圆极化天线和阵列关键技术开展深入研究,主要研究内容及成果如下:首先,从类基片集成波导（SIW-like,Substrate Integrated Waveguide-Like）背腔的模式分析出发,研究了SIW-like背腔缝隙天线（CBSA,Cavity-Backed Slot Antenna）的工作原理。提出了一系列适用于毫米波平面SIW-like CBSA的设计方法,解决了现有平面圆极化SIW CBSA尺寸过大以及不支持双频工作的问题。基于SIW及半模基片集成波导（HMSIW,Half-Mode SIW）谐振腔的等效原理,利用对SIW谐振腔的分解,实现了圆极化CBSA的小型化。所设计的小型化圆极化HMSIW CBSA利用其原型SIW CBSA近一半的面积,实现了更宽的工作带宽,其阻抗带宽为12.1%,轴比（AR,Axial Ratio）带宽为2.3%,可用频段内的最大增益为5.3dBic。利用SIW CBSA中不同工作频点工作的不同模式及二阶匹配网络,首次实现了可以双频圆极化工作的SIW CBSA。所述的设计方法亦推广至宽带平面SIW CBSA,在不增大面积的情况下,可展宽天线的工作带宽。实测结果表明,阻抗带宽达到20.8%,峰值增益为5.72dBi,3dB增益带宽达到21.3%,工作频段内的辐射效率大于84.7%。接着,根据毫米波无线通信对宽带圆极化天线阵列的需求,研究了低剖面、低成本的边射宽带圆极化天线及阵列。在行波天线的理论基础上,设计了低剖面、易集成的毫米波平面天线阵列。利用堆叠蜷曲的印刷天线形式和SIW缝隙耦合的馈电方式,在易加工的天线架构上实现了行波天线的辐射特性,天线单元的AR带宽达39.5%。利用堆叠结构上下臂带来的双谐振特性,实现了35.7%的阻抗带宽。此外,通过研究边界条件对单元和阵列性能的影响,实现了相互吻合的单元和阵列的阻抗和AR特性。利用优化的T型结和H型结,研制了-15dB阻抗带宽为43%的SIW全并馈网络。在此基础上,研制了8×8的圆极化天线阵列。实测结果表明,阵列的阻抗带宽为35.4%,AR带宽为33.8%,可用频段内的最大增益为23.5dBic,3dB增益带宽为32.2%。将之前平面圆极化天线的工作带宽从低于17%提升到了30%以上。然后,针对毫米波无线通信对端射多波束天线的需求,研究了可宽带工作的端射圆极化多波束毫米波天线阵列。在矩形波导的理论基础上,利用阶梯型缝隙、模式分析和联合优化算法,展宽了端射双圆极化天线的工作带宽。利用末端介质加载的技术,显著提高了天线单元双端口之间的隔离度。所设计的天线在0.6λ0的宽度约束下,实现了27.5%的AR带宽。此外,还设计了宽带的波束成型网络、转接结构和互连结构。通过研究单元互耦对多波束AR性能的影响,设计单元间空气槽,将单元间互耦减小至-25dB以下,将阵列的AR带宽从7%提升至25.5%。在此基础上,实现了4波束宽带端射双圆极化平面天线阵列,实测工作带宽达到22.5%。最后,针对毫米波天线设计过程中优化所需计算时间过长的问题,研究了机器学习辅助的天线优化方法。通过联合机器学习、进化算法以及全波仿真,通过建立天线代理模型的方式,对天线的性能指标进行优化。针对不同的优化目标和数目,采用了多种代理模型在线更新的优化方法和技巧,实现天线的快速设计及完善。提出了一类可应用于天线设计的单目标优化方法,利用在每次循环内进行完整优化流程、在预测值中加入不确定性及将频率点作为自变量加入训练集等手段,显著减少了全波仿真的次数,从而大大缩短了优化时间。将所提出的算法应用于对宽带毫米波四模SIW CBSA性能优化。实测结果表明该SIW CBSA的阻抗带宽为23.7%。进一步地,提出了一类可应用于天线设计的多目标优化方法,并分析了引入低置信边界对于优化算法性能的影响。将所提出的单目标及多目标优化算法应用于前述章节所述的三种圆极化天线单元的设计中,在很短的仿真时间内,优化得出了很好的AR及阻抗带宽等性能。