随着电子设备数量的快速增加,低频频谱资源显得越发拥挤,这导致越来越多的无线系统开始使用更高频率（X、Ku、K和Ka等频段）的天线完成信息的交互和传递。基片集成波导由于具有低插损、低辐射干扰、易于加工和易于与电路集成的特点,从而在更高频率的天线设计中获得广泛的关注。本论文基于基片集成波导结构,以结构的腔体模式、低频截止特性、表面电流分布特性为设计基础,以激励腔体模式、加载缝隙形式、弯折枝节和印刷渐变过渡结构为主要设计手段,对天线的宽频带、双频带、圆极化和高增益等性能的设计方法展开研究。并探索了在需求轻量化探头天线的新型测量系统中,利用基片集成波导喇叭天线替代传统金属喇叭天线的可行性,对比分析了其在实际系统中的应用性能,扩展了基片集成波导天线的适用场景。本文的主要工作和研究内容包括以下四个方面:1.探究了基于基片集成波导腔体模式和缝隙结构联合作用实现高性能背腔缝隙天线的设计方法。在设计中,首先对腔体模式进行分析,然后基于模式特性利用缝隙结构来激励谐振,最终实现所需要的背腔缝隙天线。基于上述设计思路,本文设计了两款背腔缝隙天线。在第一款宽带背腔缝隙天线设计中,利用改进的哑铃形缝隙和接地共面波导馈电结构使得腔体内的多个谐振模式(TE310偶模、TE310奇模、TE310和TE120混合模式、TE320和TE120混合模式)相互靠近,从而展宽了天线的阻抗带宽,测试结果表明天线获得了26.7%的阻抗带宽和9.5d Bi的峰值增益。在第二款双频背腔缝隙天线阵列设计中,通过对腔体模式(TE110和TE120模式)的分析,引入了一对C字形和矩形缝隙,并优化缝隙排布方式,从而在28GHz和38GHz附近频率范围内实现阻抗匹配,并完成2×2单元组阵设计,最终实现了紧凑尺寸的双频天线阵列设计,测试结果表明天线阵列在两个工作频段内分别获得了12.3d Bi和13.6d Bi的峰值增益。2.研究了采用弯折枝节实现基片集成波导背腔天线宽带圆极化辐射性能的设计方法。弯折枝节引入了新的正交极化分量,这有助于产生圆极化辐射波束。在第一款双频双极化共口径天线设计中,首先利用弯折枝节设计了24.25-27.5GHz的背腔圆极化天线阵列,其次基于结构复用的概念,利用加载寄生条带的缝隙耦合微带天线完成了3.3-3.6GHz的线极化天线设计。通过优化天线和辐射结构的位置,并依靠基片集成波导的准封闭结构和低频截止特性提高了两频段天线之间的隔离度,降低了两个天线之间的相互影响,实现了适用于5G设备的双频双极化共口径天线设计。在第二款低剖面圆极化天线设计中,进一步拓展了弯折枝节的应用场景,通过四个弯折枝节引入了两个圆极化谐振频点,从而完成了低剖面宽带圆极化天线单元的设计,并基于顺序旋转馈电网络实现了天线的组阵设计,以进一步提升天线的圆极化辐射性能,测量结果表明天线阵列实现了11.9%的工作带宽和14.2d Bic的峰值增益。3.研究了基于印刷渐变过渡结构的宽带高增益端射天线设计方法,并设计了两款天线阵列。基片集成波导的开路端上下表面电流相位差为180°,因而可以被视为宽带馈电巴伦结构,而印刷渐变过渡结构可以逐级改善与自由空间的阻抗匹配特性,这为端射天线的宽带工作奠定了基础。在第一款天线设计中,将能够辐射垂直极化波、调整两个正交极化波的幅度比和相位差的印刷渐变金属条带引入到基片集成波导馈电结构和水平极化辐射单元之间,从而实现了宽带圆极化端射辐射特性,并基于低插入损耗和低辐射干扰的基片集成波导馈电网络实现了1×8的高增益天线阵列设计,测量结果表明天线阵列实现了14%的工作带宽和16.3d Bic的峰值增益。在第二款天线设计中,针对性地改进了传统印刷过渡单元的结构形式,同时在基本辐射单元结构的两侧加载了高折射率超材料覆层以进一步提高天线单元的增益,并最终完成了阵列设计。天线单元和阵列均实现了宽频带、高增益、低交叉极化和稳定的方向图等优异性能。4.基于基片集成波导喇叭天线的新型测量系统设计。本文基于一种新型测量系统对探头天线轻量化、小型化和高性能的需求,重点利用多层阶梯式扩口凹槽结构,设计了宽带、宽波束和低交叉极化的基片集成波导喇叭天线。在此基础上,通过设计系统的电磁防护、仪器控制和采样解决方案,最终搭建了一套基于基片集成波导喇叭天线、适用于室外大型天线方向图测试的新型测量系统。更进一步,通过与传统的金属喇叭天线在新型测量系统上的应用性能的对比测评,最终验证了所提出的基于基片集成波导喇叭天线的测量系统的性能的优越性,拓展了基片集成波导天线的应用范围,实现了一种新型测量系统的设计研究。