为满足高速增长的数据业务的需要,现代通信系统迅速向毫米波频段发展,以提供高数据吞吐率和低时延。然而,与低频段相比,毫米波频段的路径损耗较大。因此,阵列天线技术被用于克服路径损耗并实现灵活的波束成形。本文围绕毫米波平面有源阵列天线技术开展研究,主要工作如下:第一章提出并实现了一种毫米波基片集成滤波天线及1×2滤波天线子阵。设计了一种小型化高Q值全封闭基片集成波导（SIW）谐振腔,并将其和层叠贴片结合,实现了具有四阶带通响应的毫米波基片集成滤波天线单元及1×2滤波天线子阵。在滤波天线单元和子阵的基础上,进一步设计了16单元的滤波天线阵列,以验证基片集成滤波天线应用于阵列时的性能。测试结果表明,滤波天线单元及1×2子阵的带宽均能覆盖5G毫米波n257/n258频段,具有体积小、损耗低、带宽宽、带外抑制好等特点。本章内容已分别发表在IEEE Trans.on AP和国际会议2020 International Symposium on Antennas and Propagation（ISAP 2020,日本）,并获会议最佳论文奖。第二章提出并实现了两款毫米波小型化多波束阵列天线。首先,设计并实现了一种5G毫米波端射双极化多波束阵列天线,利用双模SIW激发的多模SIW网络实现了小型化无源双极化多波束网络,利用集成巴伦的印刷偶极子天线和带有寄生金属条的开口SIW天线实现了端射双极化天线单元。其次,利用小型化双模全封闭SIW谐振腔设计了新型毫米波双频双极化滤波天线,天线单元可以同时覆盖5G毫米波n258和n260频段,并在两个频带上具有三阶滤波响应。在此基础上,进一步设计了四单元滤波天线阵列,并与有源波束形成芯片集成,实现了一个小型化有源相控阵列。实验结果表明,两款5G毫米波小型化多波束天线阵列均具有紧凑的结构和较好的波束性能,适用于5G毫米波应用。本章第一部分内容已发表在IEEE AWPL,第二部分内容已投稿至IEEE Trans.on AP,并提交了两项发明专利申请。第三章提出并实现了一种低剖面的毫米波阵列馈电平面透镜天线。该透镜天线采用4×4平面有源相控阵作为馈源,可以调控入射电场分布并且支持双极化传输。首先,分别采用缝隙耦合叠层贴片和微带线差分双馈叠层贴片结构,设计了两种平面透镜单元,以保证平面透镜单元的传输性能。其次,建立了阵列馈电平面透镜天线模型,并针对法向波束,优化相控阵馈源的激励系数、馈源与平面透镜的距离和平面透镜的单元分布。该阵列馈电平面透镜天线工作时,平面相控阵天线所有发射机同时工作,并在平面透镜区域上产生较为均匀的能量分布,通过平面透镜单元完成相位补偿后提升波束增益。在此基础上,进一步利用有源方向图合成的方法,优化确定波束扫描情况下的相控阵馈源激励,实现了±9°范围内的波束扫描。实测的波束性能验证了设计的有效性,可作为实现毫米波高增益天线的一个可选方案。第四章提出并实现了一种混合扫描毫米波平面有源滤波天线阵列。该有源阵列天线采用无源子阵结构,并利用机械伺服系统扩展波束覆盖范围。平面滤波天线阵列、金属波导馈电网络和带有本振移相功能的毫米波收发信机以堆叠的方式实现平面有源阵列天线。天线子阵利用基片集成波导谐振腔同时用作谐振器和功率分配器实现滤波特性。滤波天线子阵和16通道毫米波收发器使用低损耗金属波导馈电网络连接,组成256单元的贴片天线阵列。集成本振移相功能的16通道毫米波收发信机在多层电路板上实现,用于提供有限角度的电扫功能。本振移相功能基于直接数字频率合成和锁相环方案,可以在接收和发送通道中共享,同时实现了良好的移相性能和紧凑的整体尺寸。有源集成滤波天线阵列安装在机械波束控制伺服系统中,以拓宽平面天线阵列的波束覆盖范围。实验测量了波束扫描辐射方向图,并使用宽带调制信号进行了系统无线传输实验,验证了混合扫描平面有源集成滤波天线阵列的有效性。