随着5G/6G时代的来临,由于具有绝对带宽宽、保密性好和传输质量高等特性,毫米波必将在无线通讯领域大放异彩。贴片天线具有结构简单、易加工、易集成和低成本等优势,因此非常适用于毫米波天线的设计。但单模贴片天线的带宽通常较窄,无法满足宽带毫米波移动通讯系统的应用需求。利用单个贴片自身的两个或多个谐振模式,可有效拓宽贴片天线的阻抗带宽。但就单贴片的谐振模式而言,存在TM10/01与TM30/03模式之间的高次模均无法直接实现边射辐射和TM30/03模式以上的高次模均难以抑制栅瓣辐射的问题。因此,单贴片可直接利用的高次模数量很少。为了引入更多辐射特性好的高次模,我们提出了适用于毫米波宽带贴片天线设计的多模多贴片理论与技术,主要包括联合贴片对、蘑菇型阵列以及分段贴片三种实现形式。此外,本论文还提出了一款可应用于5G终端设备的毫米波双波束端射天线。本论文开展的创新性的工作可归纳如下:1.提出了一种基于联合贴片对三次和五次谐振模式设计毫米波宽带贴片天线的方法。从方形联合贴片对出发,提出了一种基于感性通孔加载的频率比压缩新技术。利用该技术,极大地压缩了方形联合贴片对三次和五次谐振模式之间的频率间隔。借助于等效传输线模型,从理论上揭示了该频率比压缩技术的机理。为了验证该方法的有效性,基于菱形联合贴片对的三次和五次谐振模式,设计了一款4×4和一款8×8的菱形贴片天线阵列。实测结果表明,两款基于双模菱形联合贴片对的平面阵列分别获得了29%（34.5～46.2 GHz）和31.8%（33.1～45.6 GHz）的-10 dB阻抗带宽。2.提出了一款基于两种双模联合贴片对融合的宽带高隔离双极化贴片天线阵列。首先,利用联合贴片对更高阶的五次和七次谐振模式,设计了一款K/Ka波段宽带4×4贴片天线阵列。与三/五次模联合贴片对相比,由于七次与五次模之间的初始频率更低,五/七次模联合贴片对可以在更低地剖面高度下实现双模特性。其次,通过将一对三/五次模的联合贴片对与一对五/七次模联合贴片对融合在一起,不仅实现了0度和90度两种极化方式,而且获得了高隔离度与宽带特性。3.提出了两款结构复用的共口径贴片阵列天线。首先,通过对一对微波联合贴片对与一对毫米波联合贴片进行嵌套组合,实现了兼容毫米波与微波的大频率比双频特性。利用微带和槽线的混合馈电结构,不仅实现了输入馈线的复用而且实现了毫米波信号的分流。其次,为了实现对K/Ka波段以及Q波段的宽带覆盖,提出了一款辐射体复用的小频率比双宽带共口径贴片天线阵列。利用基片集成波导（SIW）与基片集成同轴线（SICL）的结合,设计了一种新型的高隔离交叉馈电结构。通过融合两种双模联合贴片对,该阵列在K/Ka波段以及Q波段均实现了宽带覆盖。由于完全共辐射体,所以口径复用率达到了100%。4.提出了一种基于两单元和四单元蘑菇型阵列设计毫米波多模宽带贴片天线的方法。由于每个蘑菇型单元的电尺寸达到了0.25λ0×0.24λ0（λ0为40 GHz对应的自由空间波长）,因此获得了比电尺寸小的传统蘑菇型单元高得多的加工容差性。利用两单元蘑菇型阵列贡献的TM01模式和左右基片集成缝隙引入的额外谐振模式,实现了双模宽带特性。通过将蘑菇型阵列的规模由1×2扩大至2×2,在原有的两个谐振模式的基础上又新引入了一个TM21模式。通过破坏蘑菇型单元的左右对称性,极大地提升了TM21模式的辐射特性。因此,由四个非对称蘑菇型单元构成的宽带贴片天线不仅实现了三模特性而且获得了稳定的边射辐射特性。5.提出了一款宽带线极化和一款宽带圆极化分段贴片天线阵列。利用分段贴片的TM01模和变形的反相TM02模,实现了高次模独立可控的双模宽带特性。由于变形的反相TM02模式能够提供两个正交且等幅的电流分量,该模式被进一步用于圆极化天线的设计。为了满足了3 dB轴比的相位条件,提出了一种基于弯折枝节加载的相位差调控技术。为了消除枝节加载对幅度比的影响,提出了一种基于切角的幅度比控制方法。所提出的线极化分段贴片阵列可以同时覆盖中美欧日韩在Q波段划分的5G频段,而所提出的圆极化分段贴片阵列的3 dB轴比与-10 dB阻抗带宽则可以满足Q-LINKPAN标准中PAN的带宽需求。6.提出了一款毫米波双波束端射天线。利用阵元间距为四分之一波导波长的半波振子二元阵与SIW 90°耦合器的集成实现了可切换的0°和180°定向波束。通过加载两组双‘己’形零折射率超材料（ZIM）单元,获得了0.7～1.2 dBi的带内增益提升。