毫米波柱面龙伯透镜天线具有低成本、高增益、宽频带、宽扫描角、体积小、重量轻、易集成等特点,在星链通信、卫星导航、雷达预警以及未来5G通信等领域有着广泛的应用前景。本文就毫米波柱面龙伯透镜天线及其阵列设计中的若干关键技术展开研究,主要研究内容包括:首先,介绍了毫米波柱面龙伯透镜天线及其阵列技术的研究背景和应用场景,并展示了柱面龙伯透镜天线的发展历程和最新研究动态。其次,介绍了柱面龙伯透镜天线的基本原理,讨论了基于几何光学理论的柱面龙伯透镜的理论分析,同时分析了平行板波导和介质板波导内场的传输特性。此外,还介绍了通过介质打孔方式实现介电常数等效的等效煤质理论。第三,设计了一款工作于V波段的低剖面多波束柱面龙伯透镜天线,该透镜天线在方位面能够覆盖±60°,并加工、测试了天线样品,显示了良好的天线性能。在此设计过程中,突破了柱面透镜天线极小型化馈源设计、毫米波高频段龙伯透镜开孔加工实现等关键技术。第四,开展了大口径、低剖面多波束柱面龙伯透镜天线的新型透镜阵列技术的研究。设计并加工了一款工作于E波段,在方位面以传统开关切换实现波束扫描、俯仰面以相控阵体制实现波束扫描的低成本架构的二维波束扫描柱面透镜天线阵列。实测结果表明,该天线阵列在保证30dBi的增益时,能够实现方位、俯仰±30°的二维波束扫描覆盖。最后,提出了一种可用于毫米波通信的新型圆极化柱面龙伯透镜天线。该型柱面龙伯透镜天线是基于介质板波导,通过在介质板波导内激励起具有90°相差的TM0和TE0波来实现圆极化。通过控制介质板波导的剖面来获得所需要的龙伯透镜的折射率分布。该圆极化柱面龙伯透镜天线被加工、测试,并显示出良好的效果。此外,该型柱面龙伯透镜天线也可以用于实现双圆极化。