随着无线通信技术的发展，毫米波无线系统由于其大带宽、高速率的特点受到了广泛关注，在卫星通信、第五代移动通信、自动驾驶等领域具有重要的应用前景。作为毫米波无线系统的重要组成部分，毫米波天线影响着整个系统的性能，这使得宽带毫米波天线的研制具有很高的学术与应用价值。本文围绕毫米波宽带圆极化天线单元及其顺序旋转阵列的设计、优化和实验验证开展了一系列研究。论文工作包括以下三个部分：
　　第一部分提出并验证了基于人工地板结构的Ka波段紧凑型宽带圆极化天线及其顺序旋转阵列。该天线单元利用紧凑型的人工地板结构与截角贴片所形成的双谐振产生宽带圆极化辐射，在此单元设计的基础上，设计了 2×2 单元顺序旋转阵列以进一步提高其圆极化带宽，并进行了实验验证，实现了28.7％的-10dB阻抗带宽和27.2％的3dB轴比带宽。
　　第二部分研制了基于堆叠贴片的 K 波段宽带圆极化天线单元及其顺序旋转阵列。该天线单元由微带缝隙耦合馈电结构、主驱动贴片和寄生辐射贴片组成，利用两个不同大小的贴片相耦合实现宽带圆极化辐射。在单元设计的基础上，进一步研制了 2×2 单元顺序旋转阵列以进一步提高其圆极化带宽，设计了更紧凑的馈电网络，并进行了实验验证。该阵列实验测得的3dB轴比带宽为25.7％，且在该频带内S11小于-10 dB。
　　在第三部分中，利用遗传算法对任意顺序旋转阵列的方向图特性进行了优化以实现低副瓣和高圆极化纯度。首先给出了由旋转单元组成的等间距阵列的方向图计算公式。并基于堆叠贴片宽带圆极化天线单元组阵对该方法的准确性进行评估。在此基础上，联合利用遗传算法与方向图综合法对任意顺序旋转阵列的单元馈电相位和单元旋转角度分布进行单频和宽带优化，比较分析了具有不同自由度的任意顺序旋转阵列的方案对交叉极化、副瓣电平及增益等特性的影响。最后，将优化所得的阵列综合结果与仿真结果进行对比分析，从数值上验证了所提出的设计方法的可行性，证明了利用该方法获得的任意顺序旋转阵列可以同时具有更低的副瓣和交叉极化，为宽带低副瓣圆极化天线阵列的设计提供了新思路。