毫米波技术在5G、雷达系统、安检成像等领域有着广阔的应用前景。毫米波天线是这些系统应用中的关键组件,但与微波天线不同,它在设计、封装到测试等环节均存在着一系列挑战。这些挑战阻碍了毫米波技术的应用场景与市场推广。另一方面,与微带等传统平面传输线相比,基片集成波导具有Q值高、功率容量大、加工难度低、易与平面电路集成等特点。为了突破毫米波天线面临的上述瓶颈,本文结合基片集成波导技术开展了相关研究,具体包括以下几个方面:1.毫米波介电常数提取理论准确地获得毫米波频段的介电常数,是设计毫米波太赫兹天线与电路的基础与挑战之一。本论文基于基片集成波导技术,提出了一种获取谐振腔无载谐振频率的方法,并以此准确提取介质基板的介电常数。该方法涵盖了馈电结构阻抗和馈电结构对谐振腔结构的扰动,可移除测试探针和传输线结构等外部影响。为了实验验证该方法,本文基于TSMC 0.18um CMOS工艺,设计加工了三组工作在不同频率的基片集成波导谐振腔。本论文提出的新方法,不仅结果准确,而且测量简单,仅需测量样本的S参数。而传统的同类方法,则需史密斯圆图及函数拟合等多种复杂手段。2.基于探针馈电的毫米波天线测试系统评估方法准确提取介电常数以便设计毫米波天线后,下一个挑战是评估定制的毫米波天线测试系统,以利于准确测试验证。基于基片集成波导技术,本文设计了一种背靠背喇叭天线,以及一种开槽式背靠背喇叭天线,并对这些结构进行了理论分析、仿真设计和实物测试。研究表明,这些新型天线可根据特定需求,实现全向或半全向辐射,因此,仅需对该类天线样本进行一次测量,即可完成对天线测试系统的评估,而无需辐射方向图互补的多种传统天线。更重要的是,该类新型天线具有独特的“波浪形”辐射方向图,有利于评估分析天线测试系统的测试准确性和可靠性。此外,这种天线结构简单,可使用低成本的单层PCB工艺实现。3.毫米波天线与电路的高效互连技术毫米波前端面临的另一个挑战是,如何实现毫米波天线与电路芯片的高效互连。本文基于基片集成波导技术,设计了一款可与电路芯片直接键合的宽带背腔贴片天线,并基于PCB工艺进行了加工。该天线设计融入了多级滤波器封装互连原理,使天线与键合线形成一个整体并呈现多级滤波器的特性,从而补偿键合线引入的寄生电感效应。这种互连结构与天线结构融为一体的设计,使天线无需单独设计封装互连结构,不仅简化了设计流程,而且利用键合线的电感特性拓宽了天线带宽。仿真结果表明,所设计的天线带宽为23.3%,具有最高增益7.4dBi。针对毫米波天线在设计、封装、测量等三个环节中面临的关键瓶颈,本文基于基片集成波导技术,开展了深入研究,提出了相应的解决方案,取得了较好的效果,为后续研究和设计奠定了基础。