随着微波段频谱资源日趋紧张,通信、雷达、电磁成像等诸多无线电应用开始进入毫米波频段。天线作为无线系统的关键部件,其指标好坏直接影响整个系统的性能。其中,阵列天线由于可实现高增益、波束赋形等特点,在通信、雷达、遥感等领域得到广泛应用。本文致力于各种低成本、低剖面、可实现直接基片集成的高性能毫米波平面阵列天线的研究,以满足不同毫米波频段、不同应用的需求。论文的主要工作与贡献如下:第一章提出了两种了Ka波段低剖面层叠式馈电的基片集成阵列天线结构,包括一种基于层叠微带和基片集成波导（SIW）并馈的线极化基片集成阵列天线和一种基于低剖面微带层叠馈电结构的圆极化基片集成磁电偶极子阵列天线。解决了毫米波阵列天线设计中常存在的一些问题,包括馈电网络介质基片过厚、单元扩展成阵列需要额外增加介质基片、带宽不足等。给出了阵列天线设计、分析和相关实验验证结果。两种阵列天线均采用薄介质基片设计馈电网络,具有阻抗带宽宽、方向图稳定、容易扩展、易于集成等特点。本章内容已发表在IEEE Trans.on AP和IEEE AWPL,并提交了发明专利申请。第二章研究了覆盖22³3GHz的宽带基片集成阵列天线。提出了一种基于低剖面微带层叠馈电的宽带线极化基片集成磁电偶极子单元,其相对阻抗带宽达到42.78%,且具有良好的带内增益平坦度。将其作为辐射单元扩展成阵列天线时,不需要额外增加介质基片来设计馈电网络,也不会出现带宽退化的现象。在此基础上,分别设计了4×4和8×8阵列天线,并进行了实验验证,两者的实测阻抗带宽均大于44%,且带内增益变化小于3dB。提出的阵列天线结构紧凑、可直接与前端芯片集成,适用于频段内多种毫米波应用。本章内容已投稿至IEEE Trans.on AP,并提交了发明专利申请。第三章研究了Q波段平面线极化及双圆极化基片集成阵列天线。提出了一种基于多层PCB工艺的低剖面双圆极化基片集成阵列天线,该双圆极化阵列天线由四个SIW馈电的线极化贴片子阵列顺序旋转构成,首先介绍了线极化子阵列的设计方法和工作原理。接着介绍了基于SIW结构的双圆极化馈电网络的设计,该SIW双圆极化馈电网络是一个三维的结构,同时分布于顶层和底层两层介质基片之中。对设计的线极化子阵列和双圆极化阵列天线均进行了实验验证,实测结果显示,该双圆极化天线的可用带宽为8.9%,极化端口隔离度超过19dB,正交极化区分度优于25dB。本章内容已发表在IEEE Trans.on AP,并提交了发明专利申请。第四章研究了W波段车载雷达阵列天线,共设计了三种实用的低剖面阵列天线,包括一个1×10串馈微带阵列天线,一个基于SIW馈电的8×10串馈微带平面阵列天线,以及一个基于多层PCB工艺设计的波束稳定的2×8宽带车载雷达阵列天线。前两种阵列天线可以同时作为同一个雷达系统中的发射天线,以兼顾对探测距离和雷达视角范围的需求;第三个阵列天线采用中间对称馈电的SIW馈电网络,使得在整个有效工作频段内阵列天线的波束指向稳定,并且SIW馈电网络层叠于贴片辐射单元的下方,保证了整个阵列天线结构的紧凑性。以上所有阵列天线均加工了实物样品,并进行了测试和验证。部分阵列天线已经成功应用于商用车载雷达产品之中。本章内容已分别发表在IEEE Trans.on AP和国际会议UCMMT2017和ISAP2019,并提交了发明专利申请。第五章提出了一种远中距一体化的车载雷达天线,即采用“平肩膀方向图”的阵列天线作为发射天线,可以同时兼顾远距和中距探测对视角和增益的不同要求,解决了传统77GHz车载前视雷达天线方案中采用具有不同波束宽度的分立发射天线时存在的问题。对这种天线方案的工作原理进行了详细阐述,并采用阵列综合的方法优化得出“平肩膀方向图”所需要满足的阵列配置条件,最后进行了实验验证。该设计能够采用单付发射天线实现传统采用双发射天线才能实现的功能,可以避免汽车雷达在两个不同发射通道之间的切换,既减少了发射通道数,又提高了雷达的实时性,具有良好的应用前景。本章内容已在IEEE Trans.on AP上发表,并获授权发明专利。第六章提出了一种能够产生视轴辐射的准TM₂₁模开槽圆形贴片。介绍了其辐射原理,并在此基础上设计了一种基于SIW馈电的可用于W波段车载雷达的一维阵列天线,然后又将其扩展成了二维平面阵列天线,完成了两种阵列天线的实验验证。为了拓宽这种视轴辐射的准TM₂₁模开槽圆形贴片的阻抗带宽,对开槽圆形贴片结构做了进一步改进,提出了一种垂直折叠的开槽圆形贴片,相对带宽达到23.24%,以其作为辐射单元,采用低剖面的微带馈电结构,分别设计了2×2和4×4线极化阵列天线和4×4圆极化阵列天线,并完成了相关实验验证。本章内容已发表在或投稿至IEEE Trans.on AP,并提交了发明专利申请。以上工作以第一作者共计在国际核心期刊IEEE Trans.on AP、IEEE AWPL上发表或投稿论文7篇,在国际会议上发表论文2篇,SCI已收录4篇次,EI已收录5篇次,已获授权发明专利1项、实用新型专利5项,申请发明专利10项。