太空环境恶劣且充满未知,为在外星球上能够实现着陆测距、地质勘探等活动,对探测器提出了极其苛刻的要求,其耐热性、耐寒性、重量、体积都被严格限定。龙伯透镜天线由于具有高增益、低旁瓣、天线结构简单、利于辐射多波束等优点,被广泛用于航天航空领域信号探测。本文针对Ka波段下耐温轻量小型化龙伯透镜天线的设计及实现过程进行了相关研究工作。其主要内容包括:首先,本文从龙伯透镜天线技术的研究背景展开,对龙伯透镜天线的应用场景及发展过程进行了介绍。然后简单介绍了透镜天线的基本理论知识,阐述了透镜天线的基本工作原理。同时利用射线追踪法解释了龙伯透镜的几何光学原理,并用球面波函数展开法分析了龙伯透镜天线辐射特性的推导过程,为后续天线设计与制备奠定了理论基础。其次,本文利用超材料理论和发泡工艺技术分别进行了超材料龙伯透镜及泡沫龙伯透镜的设计与仿真。并利用等效媒质理论进行了超材料龙伯透镜单元的设计,以交叉杆单元为基础构建了龙伯透镜整体模型。针对泡沫龙伯透镜,本文采用遗传算法对透镜半径及介电常数分布进行了优化设计,设计了四层同心球结构的泡沫龙伯透镜。然后,本研究对比了几种不同类型的馈源对透镜天线性能的影响,在仿真结果的基础上设计并制备了方波导馈源,该方波导符合弱方向性、高增益、低重量等性能指标。仿真结果表明,这两种不同结构的龙伯透镜天线增益均高于28dBi,主瓣宽度均小于5°,旁瓣值均低于-20dB,具有良好的天线性能。最后,本研究对制备完成的超材料龙伯透镜天线与PMI泡沫龙伯透镜天线进行了天线性能的测试,并对测试结果进行了误差分析,其中PMI泡沫龙伯透镜天线测试结果与仿真结果基本符合。研究结果表明,基于PMI泡沫分层龙伯透镜天线可以应用于航天航空领域。