本论文提出了一系列毫米波透镜天线。这些透镜天线具有结构简单、加工方便、成本低、辐射效率高、易实现多波束等优点，近年来在诸如雷达、卫星通信及导航、无线通信以及毫米波成像系统等领域具有广泛的应用。本文针对毫米波透镜天线的设计方法进行了详细的研究，具体工作如下:　　 (1)研究了毫米波均匀介质柱透镜天线。对两种不同极化方式（水平极化和垂直极化）的均匀介质柱透镜天线模型分别进行了研究。利用射线追踪法结合口径天线理论对该天线进行了详细的理论分析。最后，设计制作了中心频率为30 GHz的均匀介质柱透镜单波束和多波束天线实物。该均匀介质柱透镜多波束天线在方位面的扫描范围宽达150°。同时，利用三层均匀介质柱透镜天线堆叠的方法可实现方位面360°全向扫描。　　 (2)提出了一种毫米波阶梯折射率柱透镜天线。该透镜的焦距可以通过调整横截面的结构参数进行调节，而不需要更换透镜材料本身。利用射线追踪法和横向谐振法对天线进行分析。最后，设计制作了一个中心频率为30 GHz的阶梯折射率柱透镜天线实物。该阶梯折射率柱透镜保持了圆对称性，因此可以很方便地应用于多波束宽角度扫描。　　 (3)研究了毫米波改进型Luneberg柱透镜天线。对传统的Luneberg柱透镜天线进行改进,采用改进型Luneberg柱透镜替代经典Luneberg柱透镜。由于改进型Luneberg柱透镜的焦点既可位于透镜表面也可位于透镜内部或外部，可根据实际需要自由选择，因此非常适合工程应用。提出了一种结构简单，加工方便的毫米波改进型Luneberg柱透镜天线模型，并利用射线追踪法和横向谐振法对该天线进行了详细的分析和设计。最后，设计制作了中心频率在30 GHz的焦点位于透镜外部的改进型Luneberg柱透镜单波束天线和可以覆盖方位面150°的多波束宽角度扫描天线。　　 (4)提出了一种毫米波空气介质柱透镜天线技术，仅由馈源天线和内表面呈弧形的平行板波导两部分组成，而不需要透镜介质材料，可以有效减轻天线的重量。同时由于不存在介质损耗，所以天线辐射效率可以得到有效提高。空气介质柱透镜的等效折射率由平行板波导间距控制，折射率变化模拟Luneberg定律，以提高口径效率。最后，设计制作了中心频率在30 GHz的空气介质柱透镜单波束天线和可以覆盖方位面180°的多波束宽角度扫描天线。　　 (5)研究了毫米波椭圆柱透镜单脉冲天线。提出了一种背腔缝隙耦合椭圆贴片馈源天线阵列，这种馈源天线可以很方便地与椭圆柱透镜集成在一起实现单脉冲天线。利用射线追踪法结合口径天线理论分析和设计了该椭圆柱透镜单脉冲天线。最后，设计制作了中心频率为35 GHz的椭圆柱透镜单脉冲天线实物。