毫米波因其具有的丰富频谱资源优势,在新一代无线通信技术应用中开始发挥重要作用。毫米波天线与阵列作为毫米波通信系统的关键器件,近年来已成为天线研究领域的前沿和热点。周期性结构是实现电磁场与波调控的重要手段,在天线和传输线研究中被广泛使用。人工表面等离子体激元和间隙波导作为两类典型的周期性结构传输线,在毫米波天线研究中具有重要应用价值。然而在已有研究中,基于人工表面等离子体激元的天线及阵列馈电方法较为单一,由此导致了此类天线不易实现毫米波应用所需的宽带定波束、多波束及多极化辐射。另一方面,基片集成间隙波导馈电的毫米波天线及阵列更多基于二维平面集成化设计思路,集成空间垂直维度的利用率较低,三维集成化设计尚难以实现。针对以上问题,本文对人工表面等离子体激元和基片集成间隙波导馈电的毫米波天线开展研究,提出了毫米波人工表面等离子激元馈电贴片天线与阵列的模式激励、极化调控、固定波束及多波束辐射方法,以及基于垂直基片集成间隙波导结构的毫米波天线三维集成设计方法。研究成果为面向新一代无线通信应用的毫米波天线设计提供了理论依据与技术支撑。本文的主要创新工作如下:1.提出了毫米波人工表面等离子体激元馈电贴片天线的设计方法。明确了基于人工表面等离子体激元传输线的贴片天线辐射模式激励机制,提出了天线的邻近耦合馈电和直接馈电方法,所设计剖面高度为0.06λ0的贴片天线实现了8.2%带宽、6 d Bi左右增益的稳定定向辐射。针对人工表面等离子体激元馈电贴片天线H面交叉极化较高的不足,进一步提出了通过在天线地板刻蚀纵向缝隙实现交叉极化抑制的方法,将天线的交叉极化降低至-15 d B以下。针对毫米波无线通信应用对天线多极化辐射特性的需求,提出了人工表面等离子体激元馈电贴片天线的极化调控方法,所设计圆极化天线具有15.9%的阻抗带宽和7%的3 d B轴比带宽,增益约为5.6 d Bi,所设计双极化天线具有13.7%的交叠阻抗带宽,端口间隔离度大于15 d B,工作频带内双极化辐射特性稳定。2.提出了基于人工表面等离子体激元的毫米波馈电网络及固定波束阵列天线设计方法。提出了基于单层人工表面等离子体激元传输线的毫米波Y形等功分比功分器结构及其设计方法,进而设计实现了1分4并联馈电网络;提出了基于双层人工表面等离子体激元传输线的毫米波不等功分比功分器结构及其设计方法,实现了功分比的灵活控制,进而设计了紧凑型串联馈电网络。通过将1分4并联馈电网络与所提出的单极化贴片天线相结合,实现了毫米波表面等离子体激元馈电的定波束贴片天线阵列。天线阵列具有13%的测试带宽,最大增益为12.8 d Bi,在工作频段内辐射方向图稳定。通过采用两组1分4串联馈电网络对所提出双极化贴片天线进行激励,实现了毫米波表面等离子体激元馈电的双极化贴片天线阵列。天线阵列的交叠带宽为15.4%,两个极化在中心频点的辐射增益分别为8和8.6 d Bi。3.提出了基于人工表面等离子体激元的毫米波巴特勒矩阵及多波束阵列天线设计方法。提出了基于双层人工表面等离子体激元传输线的波束形成功能器件结构及其设计方法,具体包括3d B耦合器、交叉电桥和移相器。进而运用所提出器件构建了具有改进结构的4×4规模毫米波人工表面等离子体激元巴特勒矩阵。通过采用该波束形成网络对所提出贴片天线进行馈电,实现了15%的带宽、10.5至12 d Bi的四波束稳定辐射,波束的角度覆盖范围为±30°,天线馈电端口间隔离度大于25 d B。4.提出了三维基片集成间隙波导馈电的毫米波双极化喇叭天线设计方法。提出了集成于多层层叠基片的垂直间隙波导传输结构,明确了该结构的传输特性,设计了垂直与水平基片集成间隙波导间的互连结构,实现了不同层介质基片间电磁能量的高效传输。在此基础上,将垂直与水平基片集成间隙波导相结合,提出了三维基片集成毫米波正交模耦合器和双极化角锥喇叭天线,实现了三维器件结构的毫米波基片集成化设计。三维基片集成间隙波导正交模耦合器馈电的喇叭天线具有30%的阻抗带宽,工作频带内端口隔间离度高于45 d B,垂直和水平极化的辐射增益最大值分别为10.3和11.7 dBi。