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随着系统集成技术的不断发展,基于多功能、小型化、高集成度等特点的无线通信系统得到越来越广泛的应用。原本二维平面排布的包括天线、滤波器、功率放大器等在内的各类射频元件,现在可以在垂直方向的空间进行三维堆叠排布,从而提高系统的空间利用率,减小系统的整体尺寸。天线作为系统中的核心收发器件,也得到了越来越多的关注,其设计不仅要满足工作所需的性能要求,还要有助于系统集成度的提高。因此,目前迫切需要具有高增益、紧凑结构、易于组阵等优点的有效集成天线解决方案。此外,在有限的系统空间中,为了耗散多余的热量,通常会引入额外的金属散热结构,但其易与邻近射频元件产生电磁耦合,引起寄生辐射,影响天线整体方向图,降低工作性能。基于电热协同设计原理,具有主动辐射能力的集成散热天线方案能够很好地解决上述问题。本论文面向系统集成,针对不同应用场景提出了多种集成天线设计,进行了理论分析和对比验证;通过电热协同设计,提出了两种新型的毫米波频段集成散热天线阵列设计,兼顾了辐射特性和散热效果。本论文的主要工作和创新点可归纳如下:（1）为了满足极低副瓣电平（Sidelobe Level,SLL）、高增益和窄波束的雷达天线方向图需求,提出了两种不同形式的24 GHz雷达集成天线阵列设计,分别为串馈微带贴片天线阵列和串馈微带梳状天线阵列,它们结构紧凑,具有很低的剖面。为了实现所需的副瓣抑制效果,两种形式均利用道尔夫-切比雪夫综合法进行方向图综合,并给出了使用馈线宽度渐变法来调整各单元间非均匀激励幅度分布的电路模型和设计步骤,两者所得副瓣电平均低于-25 d B。同时,对比了两种形式在结构和性能上的优劣,微带贴片阵列拥有更低的副瓣电平和更稳定的辐射增益;而微带梳状阵列则具有更为灵活紧凑的结构,各子阵间的辐射短边可以采用交错式排列。（2）针对三频段雷达天线集成,在单一低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC）基板上紧凑集成了S频段、Ka频段和D频段封装天线（Antenna-in-Package,Ai P）,研究了不同频段的最优天线形式。其中S频段采用了微带贴片形式;Ka频段采用了微带栅格阵列形式;D频段采用了由环形金属过孔阵列和空气通腔形成的阶梯剖面喇叭形式。针对三频段天线之间的电磁耦合问题,引入了空气腔和接地金属过孔围栏等结构以抑制相互耦合,各馈电端口隔离度优于30 d B,形成了有效的电磁屏蔽。同时,优化了位于LTCC基板上表面的圆柱形介质天线罩对于辐射特性的影响,通过在其结构中引入方环空气腔,将D频段喇叭天线的增益提升约2 d B。（3）为了解决现有电热协同的散热天线方案中存在的工作频率低、设计自由度小、难以组阵等问题,提出了一种新型的基于阶梯剖面开口喇叭形式的60GHz集成散热天线阵列设计,填补了其在毫米波频段应用的空缺。利用3-D打印工艺,在鳍片式金属散热片底座中引入矩形通腔作为辐射口径,与相邻的两个散热鳍片共同组成阶梯剖面的开口喇叭天线单元,实现了天线与散热结构的共形,提高了系统的集成度。在LTCC基板中设计了一种基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW）形式的馈电网络,从而引入大量实心金属过孔来形成低热阻的导热通道。通过电热协同设计,提出了一种优化设计方法,来平衡一体化散热天线阵列的辐射性能和散热效果。在电性能上,所设计的散热天线阵列取得了18.1 d Bi的增益和11.7%的阻抗带宽;在热性能上,当热源功率为0.2 W时,散热片结构的引入取得了40.1 K的降温冷却效果。（4）为了解决电热协同的散热天线阵列存在的单元间距过大的问题,降低副瓣电平,实现阵列的小型化,提出了一种新型的基于线性锥削缝隙形式的28GHz集成散热天线阵列设计。该方案在鳍片式金属散热片底座中,用双脊波导通腔替代矩形波导通腔作为辐射口径,并将矩形散热鳍片设计为梯形结构,共同组成了线性锥削缝隙天线单元。相比于矩形波导,双脊波导是其小型化结构,拥有更低的截止频率和更小的尺寸。为了减小天线阵列的整体尺寸,在LTCC基板中设计了一种结构更为紧凑、包含带状线和纵向SIW结构的混合馈电网络,散热天线阵列的单元间距得到了有效缩短,改善了E面和H面方向图的副瓣电平,同时拥有更宽的阻抗带宽。相比阶梯剖面开口喇叭形式的散热天线阵列,基于电热协同设计,该设计的单元间距由0.8λ减小至0.5λ,E面和H面方向图的副瓣电平分别降低1.7 d B和0.6 d B,10-d B阻抗带宽为14.3%,提高了2.6%,辐射增益为16.3 d Bi,降低了1.8 d B。在热性能上,当热源功率为0.5 W时,散热片结构的引入取得了47.0 K的降温冷却效果。