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随着新兴无线通信技术研究的广泛开展,作为无线系统中的关键部件,高性能定制化的新型天线对系统的性能影响较大,尤其是在微波频段和毫米波频段的移动通信、雷达、射电天文和微波成像等应用背景下,低成本高性能的天线及其阵列设计具有非常重要的意义。其中,圆极化天线也可应用于上述场景,它相对于线极化天线,在抑制信号多径反射,减少极化失配等方面具有明显优势。本文紧紧围绕微波频段和毫米波频段圆极化天线及其阵列这一研究课题,基于基片集成波导（SIW）技术和微带贴片技术,研制了一系列的宽带圆极化天线、全向圆极化天线、圆极化天线阵列、馈电网络、移相器件等,它们具有重量轻,低剖面,低成本,高性能,易于平面集成等特点。本论文的研究内容和创新点如下:1)围绕宽带低剖面圆极化微带天线展开研究。基于一种微带形式的宽带移相器,设计了宽带的顺序旋转馈电网络。针对天线低剖面的要求,利用微带贴片技术提出了一种共面寄生贴片加载的微带贴片天线结构。馈电网络与辐射贴片分别位于接地面两侧,两者通过穿过地的金属探针进行电气连接。该结构实现了馈电网络与辐射贴片的分开设计,减少了两者之间电磁场的相互影响。首次利用共形的缝隙加载方式实现了圆形驱动贴片和四个共面方形寄生贴片的有效耦合,提高了圆极化天线的增益,增益平坦度等指标。通过对辐射贴片表面电流分布的分析,引入了两个谐振模式来解释天线辐射机理,并针对反射系数带宽,轴比带宽,增益带宽等关键指标进行优化。该天线性能优异,易于加工,测试结果表明该天线轴比带宽达到69.0%。2)针对宽带低剖面全向锥形波束的圆极化天线进行研究,探讨了圆极化天线全向特性的实现问题。利用基片集成波导技术和微带贴片技术,提出并设计了两种全向锥形波束的圆极化天线。第一种为基片集成波导背腔贴片型天线结构,采用单极子圆形贴片作为驱动贴片,其上加载金属通孔阵列引入高次模谐振,展宽了单极子天线的阻抗带宽。该天线引入了新颖的缝隙耦合的共面寄生扇形贴片圆环阵列和径向枝节加载的圆形基片集成波导背腔,利用阵列上的窄带谐振结构实现了双谐振的宽带圆极化辐射模式。本论文利用辐射贴片电流分布和对应的等效电路模型,详细解释了该天线的工作原理并对轴比带宽展宽的方法做了系统分析。第二种为微带贴片型天线结构,该天线没有引入其他辅助结构而是采用了已有的窄带环形阵列展宽天线的轴比带宽,使得天线设计上更为简洁和易于优化。实验和仿真结果表明两种天线结构均能实现圆极化天线的低剖面和全向特性,适用于大型金属载体平台。3)面对第五代移动通信系统向毫米波发展的趋势,本论文利用基片集成波导技术易与平面电路集成的优势,结合微波器件与圆极化天线的实际应用,提出了一种新颖的基于基片集成波导结构的微波移相器件,同时具有功率分配的功能,具有结构紧凑,相移带宽宽,拓扑灵活等优点,本文同时给出了该移相器件的工作原理和等效电路模型。在此基础上,针对毫米波高性能圆极化天线阵列的需求,设计了SIW顺序旋转馈电网络和接地共面波导串并联混合馈电网络,利用微扰技术提出了一种背腔堆叠贴片天线单元及其子阵列,最终实现了4×4的毫米波高性能圆极化天线阵列。该天线阵列实现了宽带的阻抗带宽、轴比带宽和增益带宽,解决了利用窄带天线单元来设计宽频带圆极化天线阵列的问题。4)针对中国毫米波近远程超高速通信标准Q-LINKPAN,结合国家重大专项,本文利用SIW背腔技术高Q值、天线单元互偶低的特点,深入研究并设计了两种基片集成波导背腔缝隙圆极化天线。第一种是基于圆形SIW背腔的缝隙圆极化天线,在背腔中加入不等长度的短路通孔阵列和短路探针,将背腔中两个简并模式TM110稍微分开,实现了圆形SIW背腔缝隙圆极化天线。第二种是宽带方形SIW背腔缝隙圆极化天线,基于在方形SIW背腔中加载U型槽的方案,大幅度展宽了天线的轴比带宽。该方法利用方形SIW背腔中两个正交简并模式TE201、TE102和位于SIW背腔中心的贴片的TM01,TM10模式,实现宽带阻抗特性,U型槽加载方案等同于具有两个大小不同的贴片,因此SIW背腔圆极化天线具有双谐振特性,并且保持了紧凑的结构。