随着毫米波技术的不断发展，毫米波系统的应用也越来越广泛。由于双极化的毫米波雷达系统可以充分利用信号的极化信息，所以双极化雷达系统成为研究热点。本文为满足现代毫米波雷达系统的发展要求，设计了工作于毫米波段的双极化天线。大多数的毫米波系统要求天线具有低剖面、低成本、体积小等特性，所以在本文中针对微带天线展开研究，并设计了两类不同馈电方式的天线单元及阵列：共面波导馈电、缝隙耦合馈电。首先，设计了结构较简单的共面波导馈电双极化天线单元，通过表面电流分布分析了天线隔离度性能差的原因，并针对隔离度问题，本文对天线单元做出改进，加入两条平行微带线及三个小尺寸矩形槽，使单元的端口隔离度达到-20dB。由于交叉极化的问题，再次对天线结构做出改进，提出用短截线换掉平行微带的方法，使得天线的交叉极化达到-20dB。同时，将缺陷接地结构应用到共面波导结构中进行阻抗调配，设计出了符合要求的毫米波天线单元。其次，本文采用缝隙耦合馈电与埋藏式馈电相结合的方式，设计了三个天线单元及一个2×2子阵天线。最先设计的仍然是结构较简单的天线单元，单元的相对带宽为7%。然后分别采用共面寄生贴片和空间平行寄生贴片将天线单元的阻抗带宽展宽为12%和20.53%。采用成对反相馈电技术设计了2×2的子阵天线，天线阵列的相对带宽为6.13%，阻抗带宽小于-10dB范围内隔离度小于-30dB，交叉极化达到-23.6dB，增益为11.5dB，天线的测试结果与仿真结果基本吻合，是各项指标都符合要求的毫米波双极化天线。最后，本文通过VBS脚本将遗传算法与Ansoft HFSS连接起来，采用“开窗”方式及子贴片覆盖技术对结构简单的缝隙耦合馈电天线单元进行了优化设计，将天线的阻抗带宽从2.64GHz展宽到3.99GHz，证明了方法的可行性。