微波毫米波天线、电路与系统的集成化设计对于无线通信系统、导航系统以及雷达系统等领域的发展有着至关重要的作用。可集成、高性能的无源元器件与微波毫米波单片集成电路是目前微波毫米波系统集成化研究的主流方向。为此,本文针对平面集成天线、滤波器、环形耦合器等无源电路以及高性能微波毫米波单片集成电路开展研究,主要工作如下:绪论回顾了微波毫米波电路与系统的研究背景与意义,并分析了国内外的研究现状,最后介绍了本文的研究目标与主要内容安排。第一章研究了易于平面集成的准平面正交模耦合器(OMT)和双极化阵列天线。首先提出了一种准平面正交模耦合器,通过基片集成波导(SIW)结构馈电保证了该正交模耦合器可以与平面电路集成。正交模耦合器的四个端口中的一对端口使用高阻微带线与短路端口合成为一个端口,另一对端口通过SIW合路器合成为一个端口,这样原先的四端口正交模耦合器简化成了两端口正交模耦合器,这种新型结构在减小了尺寸的同时也保证了性能。虽然该正交模耦合器有一部分金属结构,但由于可与平面电路直接集成,因此本文称之为准平面正交模耦合器。在此基础上,提出并实现了一种准平面1×8的双极化阵列。该双极化阵列的一个极化采用双端串馈馈电,另一个极化采用并馈馈电,这样的设计思路减少了馈电网络的复杂度,并可以在单层印刷电路板工艺上实现。此外,采用双端串馈馈电能够在为阵列提供稳定法向辐射的同时改善带宽性能。对上述提出的结构都进行了相应的实验验证,实验结果与仿真设计结果基本一致。本章部分研究成果已申请发明专利。第二章基于前一章的研究结果提出了一种新型的双极化平面透镜。这种透镜采用一种修正的双矩形环谐振单元,这种谐振单元只对一个极化起移相作用而几乎不影响另一个极化。因此使用这种谐振单元的平面透镜具有极化选择特性,即只对一个极化起汇聚波束的作用而不影响另一个正交极化的波束。因此这种双极化透镜能同时实现广覆盖范围与远探测距离,具有工程应用价值。本章部分研究成果已发表在国际核心期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation。第三章研究了多种小型化微波滤波器。首先提出了一种小型化四分之一模基片集成波导(QMSIW)滤波器。通过在QMSIW滤波器上加载梳状线结构减小了50%以上的尺寸,最终实现了一种四阶高带外抑制滤波器。之后又在四阶滤波器的输入与输出端各添加了一级微带谐振器,并实现了一款六阶滤波器,这种六阶滤波器有着更高的带外抑制,并依旧保持了紧凑的尺寸。此外,还提出了一种SIW谐振腔与微带谐振器相结合的多通带滤波器,利用SIW带通谐振器加载微带带阻谐振器的方法实现了双通带和四通带带通滤波器。本章部分研究成果已发表在国际核心期刊Electronics Letters上。第四章研究了小型化馈电网络与阵列天线。首先提出了一种小型化宽带环形耦合器。这种环形耦合器结合了三种现有的小型化技术,与常规的微带环形耦合器相比减小了90%以上的尺寸并具有高达80%的相对带宽。在此基础上,本章设计了一种平面单脉冲天线阵列与一种平面低旁瓣天线阵列。此外,还设计了一种双频滤波天线,这种滤波天线的馈电网络集成了滤波器、功分器与巴伦。整个滤波天线在两个通带内有着良好的回波损耗与平坦的天线增益,并有着良好的带外抑制。以上设计均进行了相应的制作与测试,实验结果与仿真设计结果基本一致。本章部分研究结果已发表在国际核心期刊IET Microwaves,Antennas&Propagation上并申请了发明专利。第五章开展了GaAs和GaN微波毫米波芯片设计工作。首先设计了一款基于GaAs工艺的毫米波多功能芯片。该芯片集成了倍频器、驱动放大器、混频器和滤波器等一系列子电路,可以实现倍频、放大、混频与滤波输出的功能。芯片中的混频器采用无源结构,既可用于上变频也可用于下变频,因此该芯片既可用于发射模块也可用于接收模块。该芯片的工作频率为我国5G毫米波通信实验频段37-43.5GHz。此外,验证了基片集成波导结构应用于硅基GaN工艺的可能性,并根据硅基GaN工艺的特点实现了一种V波段片上HMSIW滤波器。本章还设计了基于硅基GaN工艺的宽带开关芯片,实验结果与仿真设计结果基本一致。