近年来,通信频带不断向宽频、高频发展,推动了作为通信系统中关键部件的天线向小型化和宽带化发展。因此高性能宽带天线的研制己成为一个紧迫且具有重大意义的课题,尤其是对宽带高效的毫米波天线阵列的研究已经得到越来越多的关注。背腔天线因其本身具有的宽带、高增益、稳定方向图、高效率等优势被广泛研究,本文以其为天线单元,通过研究分析,针对不同的应用设计了三种工作在毫米波波段的宽带高效背腔天线阵列。首先,本文通过采用将阵列中相邻腔体部分重合的方法解决了背腔天线尺寸过大的问题,同时该方法不影响天线的辐射性能,基于此方法,本文分别设计了一个1×8单元的E面背腔天线阵列以及一个4×8单元平面阵,在考虑了馈电网络的损耗后,该线阵和平面阵获得的阻抗带宽分别为79.3%(17.8-41.6 GHz)和58.3%(23.3-40.8 GHz),可实现的最大增益分别为19.8和24.4 dBi。其次,本文设计了一个实现固定波束的八单元串馈线性背腔天线阵列,该天线同样采用腔体部分重合的排列方式,并且针对普通串馈网络引起天线波束随频率变化发生偏移的问题,设计了一个使用复合左右手传输线改善的串馈网络,该天线通过仿真分析和测试验证,最终在19到21 GHz的频带内可以使波束稳定指向+30o,并且在整个工作频带内可实现的增益为11.6-13.8 dBi。最后,为了减小馈电网络引起的损耗,本文设计了一个基于多端口背腔天线的三单元线性阵列。通过设计,该多端口背腔天线既可作为辐射天线使用,同时也是一个一分三功分器。基于该天线设计的三单元阵列最终获得的工作带宽为10%(19-21 GHz),在工作频带内可实现的增益为9.7-11.1 dBi,口径效率高达99.1-123.7%。由于该天线馈电结构简单,该阵列可作为子阵应用到低成本大阵列中。