柱面龙伯透镜天线在毫米波频段具有高增益、宽频带、宽扫描角、低成本、体积小、重量轻等特点,在未来5G通信、星链通信、车载雷达等领域有着广泛的应用前景。本文围绕柱面龙伯透镜天线波束展宽与组阵等关键技术,依次序较深入地研究并解决了该天线的解析解、快速分析、系统的优化设计方法、极端扁平波束等该领域的重要问题。论文主要内容如下:首先,对本课题的研究背景以及意义进行了阐述,对柱面龙伯透镜天线的发展历史进行了简要的概述,并展示了最新研究动态与存在的重要问题。其次,基于分层介质的并矢格林函数理论,于国际上首次推导出平行板波导中柱面分层介质的解析解,扩展了可进行全解析分析的电磁结构集合,并创新性地依此理论解结合电磁定理进行模型近似从而给出柱面龙伯透镜天线的快速分析方法。第三,区别于该领域目前的传统设计方法,本文将该快速分析方法与全局优化算法相结合,提出系统化的优化设计方法。针对二维宽角扫描透镜天线的应用,优化设计出在毫米波频段具有极扁平波束的柱面龙伯透镜天线,其波束展宽效果远超国际上相关研究成果;并对相关的介电常数分布进行分析,并模拟阵列组态下的波束扫描情况,模拟结果表明其宽角扫描效果良好。最后,通过打孔、层叠的介电常数等效方式加工了毫米波极扁平波束的柱面龙伯透镜天线,并对其进行了测试。其测试效果显示了宽度近120度的俯仰波束,于58-62 GHz内效果良好,并与仿真结果吻合,展示了极端扁平波束效果。