透镜天线具有低副瓣、宽频带、高定向性等特点，可以极大地提高天线的增益，且由于其具有较多的设计自由度、较低的设计公差、无遮挡等优点以及独有的电气特性，将其应用于毫米波段和电大尺寸的天线或天线阵列设计中可以极大地提高天线的增益，减小副瓣和减小阵列规模；将其应用于焦平面多波束透镜天线上可以产生多个锐波束，实现具有高空间分辨率的多波束天线；将其应用于天线罩的设计，在满足流体力学要求和气动特性的前提下，提高增益、减小波束宽度变化、波束偏转和降低副瓣电平。随着毫米波、亚毫米波甚至更高频段的开发利用，毫米波透镜天线将会在军事和商业领域上有着越来越广泛的应用。本文对毫米波透镜天线的关键技术进行了深入的研究：(1)、对毫米波透镜天线的基本原理、透镜的形式和应用、分析方法等进行了讨论；(2)、采用基于光学理论和电磁理论相结合的分析方法，对介质平板透镜的材料、尺寸、厚度和距天线的距离等参数进行讨论分析，研究介质平板透镜提高天线增益的原理，并以双层微带贴片天线上加载介质平板透镜为例，进行了参数分析优化。理论分析和电磁仿真均表明，合适参数的介质平板透镜可以有效地提高微带天线单元的增益，同时极大地减小天线阵列的规模；(3)、对毫米波介质透镜聚焦形式和偏焦特性进行分析和讨论，设计了两款K波段高增益透镜阵列天线，并对其中的一款进行了加工和测试。仿真实验结果和测试结果均表明：毫米波透镜天线有效地提高天线增益，减小阵列规模。