天线是微波毫米波无线系统中不可或缺的关键部件。随着新兴无线系统,如第五代移动通信、高精度定位与高分辨率成像等的快速发展,对数据的高速率传输提出了前所未有的要求。另一方面,毫米波频段相对于微波低频段具有充足的频谱资源。因此,研究和发展低成本高性能的毫米波基片集成天线与阵列具有十分重要的意义。基片集成波导(SIW:Substrate Integrated Waveguide)具有自封闭、低损耗、成本低、平面集成等优点。本文以基片集成波导为基础,开展毫米波天线与阵列的研究,设计研制了 94GHz频段差分馈电的低副瓣阵列天线、60GHz频段差分馈电的双极化阵列天线、多极化平面集成阵列天线、宽带三维基片集成线极化与圆极化微带天线阵列、三维基片集成的单脉冲阵列天线、W波段基片集成多波束阵列天线等。论文主要工作如下:绪论简单回顾了毫米波系统的应用背景及其频谱资源划分,介绍了基片集成波导及相关天线与阵列的研究现状,叙述了本论文的研究内容。第一章基于基片集成波导馈电网络,分别设计实现了差分馈电的94GHz低副瓣阵列天线和60GHz双极化阵列天线。差分馈电的天线可以与后端差分电路或者芯片直接集成,从而避免了巴伦转换带来的额外损耗与电路面积增加。针对低副瓣设计,采用基片集成波导电磁耦合级联的宽度锥削渐变的不等宽贴片阵列,实现了 E面方向图的低副瓣;通过多级不等分基片集成波导功分器级联构成的低副瓣馈电网络实现了 H面辐射方向图的低副瓣。对于双极化天线,腔体和贴片耦合产生的双谐振展宽了天线工作带宽,寄生堆叠的背腔贴片子阵提高了天线的方向性。此外,正交差分的馈电方式降低了天线的交叉极化,提高了端口隔离度。第二章基于缝隙加载的高次模谐振的微带贴片,提出并实现了基于基片集成波导馈电网络的多极化阵列天线。微带贴片工作于高次谐振模式,增大了贴片的口径面积,使得正交的双极化基片集成波导能够有足够的空间进行排布,从而实现了基片集成波导宽边缝隙耦合馈电的双极化微带贴片天线。加载的缝隙有效地改善了天线方向图。基片集成波导耦合缝隙与贴片的双重谐振展宽了天线的工作带宽。基于此,使用单层的基片集成波导馈电网络,实现了极化可调整的2×2阵列天线,天线阵列具有两个端口,通过控制天线端口不同的激励信号,阵列天线可实现垂直线极化,水平线极化,左旋圆极化,右旋圆极化的极化特性。随后,给出了多层结构的双极化天线单元,双极化基片集成波导分别位于两层基片中,可以避免阵列天线中单层排布双极化通道的交叉重叠,有效地减小馈电网络的面积,同时可以更加灵活地拓展阵列规模。最后,文中实现了多层基片结构的4×4阵列天线,该阵列天线获得了双线极化窄波束辐射特性和高的端口隔离度。本章部分研究内容已发表于国际核心期刊IEEE Trans.on Antennas and Propagation。第三章基于微带贴片天线和基片集成波导实现了宽带三维基片集成线极化和圆极化阵列天线。天线由水平的辐射贴片和垂直或者三维的基片集成波导馈电网络构成。这种乐高积木(LEGO)形式的构建为三维基片集成天线探索了一种方向,提供了一种灵活的空间能量分布策略。相比于三维的金属结构,基片集成的形式具有成本低廉,重量轻便,拓扑灵活的优点。在三维基片集成线极化天线中,垂直腔耦合的贴片天线展示了宽的工作带宽,低的交叉极化,对称的方向图,稳定的增益等优点。在三维基片集成圆极化阵列天线中,顺序旋转的2×2 H形贴片阵列,通过三维空间分布的基片集成波导馈电网络,在有限的口径下实现了顺序旋转激励需要的功率分配,从而使圆极化阵列天线获得了宽的轴比带宽。三维基片集成天线与阵列使用标准的印刷电路板工艺制作,仿真与实验结果一致,验证了设计思路的可行性与正确性。最后,对这种三维基片集成形式的天线可能的应用场景进行了分析与讨论。本章研究工作已在国际核心期刊IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters发表。第四章基于微带天线及相关的基片集成波导和差波束形成网络,实现了三维结构的基片集成的线极化与圆极化单脉冲阵列天线。天线由水平的辐射贴片阵列与垂直或三维的基片集成波导和差波束形成网络构成。一维单脉冲天线使用了两种单脉冲比较器,分别为180°定向耦合器和基片集成魔T,使用不同的贴片形式分别实现了线极化和圆极化的电磁波辐射,结果表明基于魔T的单脉冲阵列天线可以获得更好的端口隔离度。在二维圆极化单脉阵列天线中,使用了由基片集成魔T,垂直转接,T型结等组成的二维和差波束形成网络。所有天线使用标准的印刷电路板工艺制作,实现了三维结构的基片集成单脉冲天线,具有成本低,重量轻等优点。第五章设计实现了 W波段固定波束和多波束基片集成串联贴片阵列天线。串馈阵列天线可以有效减小馈电网络的尺寸与损耗,微带线级联的贴片子阵通过基片集成波导缝隙耦合馈电于中心贴片,获得了基片集成波导馈电的串联贴片天线子阵。通过调整贴片单元数目可以控制E面波束宽度,提高增益。这种配置一方面减少了基片集成波导的密度,为获得结构紧凑的阵列天线创造了有利条件,同时引入基片集成波导馈电结构,可以在毫米波频段与高性能的基片集成波导波束形成网络集成,形成特定波束阵列天线。基于此,文中设计实现了工作在W波段的固定波束和多波束基片集成阵列天线。本章部分内容已发表于国际会议201711th European Conterenas as and Propagation(EuCAP)。