随着通信技术的发展,对天线增益、波束覆盖范围的要求也在不断提高。传统阵列天线可实现高增益辐射以及波束扫描等功能,但存在着系统复杂、扫描范围受限等问题。梯度折射率透镜根据其内部特定的折射率分布,可以实现对电磁波传播的特定调控,从而实现高增益辐射、宽角扫描等功能。将梯度折射率透镜应用于波束扫描系统中,具有传统阵列所不具备的优势。超材料和3D打印技术的发展,为梯度折射率透镜的实现提供了有力工具。同时,变换光学理论的提出使得设计具有特定电磁传播特性的新型梯度折射率透镜成为可能。梯度折射率透镜已经成为了当前的研究热点。本文主要研究了具有高增益、大范围波束扫描功能的透镜天线。根据半麦克斯韦鱼眼透镜(Half Maxwell Fish Eye Lens,HMFL)的高定向性以及偏焦波束扫描特性,通过移动馈源位置或选择不同位置的馈源,实现了一定范围内的离散波束扫描;在此基础上,利用光线追迹方法分析了 HMFL内的电场分布,指出传统HMFL天线口径效率较低的原因,并提出通过切除HMFL边缘部分的方式提高透镜口径效率;针对传统HMFL半球形状不利于实际应用的问题,基于变换光学原理提出了构建圆柱形HMFL的方法,在保证透镜性能的情况下降低了 HMFL的剖面高度。其次,研究了基于单个龙伯透镜的高增益扫描天线。根据龙伯透镜的聚焦及球对称特性,通过改变透镜表面的馈源位置,实现了一定角度范围内的离散波束扫描;在此基础上,提出将馈源阵列沿圆周排布于龙伯透镜的球形表面,通过馈源依次馈电的方法,实现了±60°范围内的离散波束扫描;分析基于变换光学方法构建圆柱形龙伯透镜时存在的问题,并提出将龙伯透镜连同周围自由空间一起变换的方法,提高了变换后圆柱形龙伯透镜的增益。再次,研究了基于多个龙伯透镜的高增益、宽角波束扫描阵列。在保证高增益、大角度波束扫描的前提下,将单个大尺寸龙伯透镜天线替换为由多个小尺寸龙伯透镜天线构建的阵列,减小了剖面高度及材料损耗;通过变换光学构建椭球形龙伯透镜,减小了透镜间的遮挡效应;分析了龙伯透镜阵列中馈源数目与波束覆盖范围之间的关系,对由相邻两个馈源组成的子阵,利用幅度控制的方式,实现小角度扫描,结合多馈源离散扫描,可以在较少馈源的情况下实现大角度范围内的半功率波束覆盖。最后,研究了具有高口径效率的改进龙伯透镜天线。利用光线追迹方法分析龙伯透镜内部的电场分布,给出了传统龙伯透镜低口径效率的原因;对于尺寸相对馈源较小(馈源尺寸L/透镜直径D＞0.1)的龙伯透镜,提出在透镜相对介电常数分布中引入修正因子的方法,提高了龙伯透镜的口径效率;将该改进方法推广至椭球形龙伯透镜的设计中,构建了可实现±63°半功率波束扫描的改进椭球形龙伯透镜阵列;对于尺寸相对馈源较大(馈源尺寸L/透镜直径D≤0.1)的龙伯透镜,提出通过切除龙伯透镜边缘部分的方法,提高了龙伯透镜的口径效率。