多波束阵列天线广泛应用于雷达、电子侦察和对抗、高数据率无线通信、局部点对多点移动通信以及毫米波成像等军事和民事领域。目前实现多波束天线主要采用多波束形成网络和相控阵体制,相控阵体制需要大量的收发组件,成本高昂;而多波束形成网络则具有可低成本地实现多波束的显著优势。Rotman透镜作为最常用的多波束形成网络之一,更是具有宽频带、低成本等优点,因此Rotman透镜引起国内外广大研究者的研究兴趣。实现二维多波束扫描在实际应用中的需求愈发强烈,可是目前利用Rotman透镜实现二维多波束阵列天线的研究却较少。因此,对基于Rotman透镜的二维多波束天线的原理、结构设计与研究十分迫切;同时为了实现紧凑的结构,对Rotman透镜的小型化也是重点研究之一。故本文的主要研究内容如下:首先,详细介绍阵列天线、多波束天线的基本原理和发展应用背景、多波束形成网络主要种类及其相应的优缺点。然后分别针对一维和二维Rotman透镜的国内外研究现状和应用实例进行详细阐述,展示了Rotman透镜作为多波束形成网络的广泛研究和应用。其次,由于本文设计的二维透镜多波束网络是基于一维Rotman透镜和R-kR透镜(一种特殊的Rotman透镜),故分别介绍Rotman透镜和R-kR透镜的基本原理、公式推导和设计方法。同时对二维Rotman透镜多波束形成网络三种实现方法的原理、优缺点进行了阐述,通过对比分析选择性能和结构较优的堆栈式透镜。然后,基于基片集成波导的二维Rotman透镜设计与分析,设计了一维基片集成波导Rotman透镜和R-kR透镜;通过对二维堆栈式透镜转换连接结构的分析与研究,分别设计了微带和平行双线两种结构,将仿真和实测结果对比分析后,发现平行双线结构效果更佳;之后对二维堆栈Rotman透镜多波束天线进行实物加工测试并分析结果。最后,研究微带Rotman透镜的小型化,针对传统微带Rotman透镜的传输移相线较长,为了实现小型化,本文采用复合左右手传输线结构进行传输移相。将基于复合左右手传输线的Rotman透镜与传统透镜的性能进行对比,分析得出在保证一定带宽的情况下,通过这种方法可以有效实现微带Rotman透镜的小型化。