毫米波、太赫兹频段具有波长小、可用带宽大的特点,在雷达、成像、高速通信等领域有广泛的应用前景。因此,毫米波、太赫兹技术近年来受到学术界和工业界的广泛关注和研究。本文针对不同工艺下宽带、高增益、高效率、低成本、高集成的毫米波、太赫兹平面天线及阵列设计展开研究,论文的研究内容及创新点包括以下几个方面:1.基于微机械工艺提出低损耗空气填充矩形微同轴传输线馈电宽带、高增益毫米波天线阵首先设计了60-GHz频段的低损耗矩形微同轴传输线结构,同轴线内径由SU8介质支撑,镂空的结构特点使得这种传输线在毫米波频段具有极低的传输损耗。在此基础上提出了低损耗的60-GHz功分馈电网络,设计了两款60-GHz高增益天线阵。第一款为平行双探针耦合馈电圆形贴片线极化天线阵列。针对单探针耦合馈电带宽窄的缺点,提出了平行双探针耦合馈电方法展宽天线带宽。2×2天线阵列的相对工作带宽为10.6%(57.9-64.4 GHz),增益为14.6 dBi,辐射效率为91.4%。第二款天线阵采用具有90°相位差的双探针激励圆形贴片获得圆极化辐射,通过设计相位依次旋转滞后90°的馈电网络展宽2×2阵列的圆极化带宽,该2×2圆极化阵列的3 dB圆极化轴比带宽为15.8%(54.8-64.2 GHz),增益为14.62 dBic,辐射效率为91%。2.基于PCB工艺提出纵向加载宽带、高效辐射结构的毫米波SIW天线阵提出了两款基于PCB工艺的毫米波SIW天线阵,通过在传统SIW缝隙上方纵向加载宽带、高效辐射结构,提升天线阵辐射效率和增益。两款天线阵均采用多层SIW缝隙耦合馈电方式,减小了天线面积。第一款38-GHz天线单元设计中,提出在SIW缝隙上方纵向加载磁电偶极子天线结构,该磁电偶极子天线由两对金属柱和环绕周围的金属腔体构成,无介质填充的辐射结构使得天线单元具有高增益和高效率特性。提出金属柱与金属腔不等高度的设计从而展宽天线带宽。最终加工的8×8天线阵的测试带宽为16.3%(35.4-41.7 GHz),带内最大测试增益为26.7 dBi,测试辐射效率为83.2%。第二款45-GHz天线单元设计中,提出在SIW缝隙上方纵向加载空气填充的十字形金属辐射腔体,不仅展宽了传统SIW缝隙天线带宽,也将增益提升了约2.4 dB。最终加工的4×4天线阵的测试带宽为20.5%(42.4-52.1 GHz),带内最大测试增益为19.4 dBi,测试辐射效率为81.7%。3.基于硅基工艺提出背腔双谐振辐射结构高增益、高集成太赫兹在片天线提出了两款基于硅工艺的高增益太赫兹背腔式在片天线结构。两款天线均采用SIW背腔减小表面波效应,提升天线辐射效率。在两款太赫兹天线设计中,分别提出了两种背腔双谐振结构展宽天线带宽。第一款260-GHz SIW背腔缝隙天线设计中,针对背腔单缝隙天线带宽窄的缺点,提出SIW背腔双辐射缝隙结合十字形馈线的结构产生双谐振频点从而展宽天线带宽。该天线的测试带宽为15.2 GHz(248.2-263.4 GHz),测试增益为-2.1 dBi,仿真辐射效率为31.1%。第二款340-GHz SIW背腔贴片天线设计中,提出采用带状线同时激励贴片和SIW谐振腔使天线工作于双模态,从而产生双谐振点展宽天线带宽。该天线的仿真带宽为9.2 GHz(335.6-344.8 GHz),340 GHz处的仿真增益和辐射效率分别为3.2 dBi、56.7%。4.基于LTCC工艺提出高次模腔体功分网络馈电宽带、高增益太赫兹天线阵提出采用高次模(TE340模)谐振腔设计功分馈电网络,相比传统的TE10/TE20模SIW功分馈电网络,本文中基于TE340模腔体的馈电网络设计大幅度减少了金属过孔的数量,减小了馈网面积,简化了天线设计,减小了馈电网络引入的损耗,降低了加工成本。提出采用TE210模介质谐振腔加载改善SIW缝隙天线的阻抗匹配。最终8×8天线阵的测试带宽为10.7%(130.3-145 GHz),测试最大增益为20.5 dBi,测试辐射效率为59.2%。