本文旨在研究一种新型的毫米波空间功率合成技术——利用透镜天线在喇叭天线腔内直接放大合成。本文理论推导、仿真优化并加工测试了三种实用的基于二维空气透镜的功率合成器,分别是双曲透镜、新月透镜和龙伯透镜,随后还研究了波导—微带的鳍线过渡。本文的主要理论创新有：1.首次拓展二维单面透镜的设计参数,使基于新月透镜的功率合成器从窄带结构变成宽带结构,且合成效率进一步提高,大大提高了实用价值。2.首次提出了一种新型的基于龙伯透镜的空间功率合成系统,并针对龙伯透镜的特点做出了改进,不仅具有尺寸小的特点,而且带宽也比较宽。3.所有透镜结构都是等效的空气透镜,没有介质损耗,带来了高稳定、易加工、低损耗等十分优异的性能。4.提出了一种简化结构的对跖鳍线结构,一共只有四个设计参数,带宽却十分宽,具有设计简单,性能优异等特点。