随着现代微波通信技术的飞速发展,通信系统的性能需求标准越来越高。系统中无源电路及天线的性能也向小型化、高Q值、低损耗的方向发展。基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW）作为一种集平面电路与传统金属波导优势于一体的技术,因其加工成本低、易于集成、低剖面、较高功率容量等特点成为了现代微波电路系统中的重要组成部分。但是,SIW中的介质损耗限制了其在高性能电路中的应用,特别是在高频毫米波段内。为了改善这一性能,用空气替代SIW中的介质可以显著减少其介质损耗,然而最大的弊端就是带来横向尺寸的增加。因此,本文通过研究慢波效应理论和空腔基片集成波导（Empty Substrate Integrated Waveguide,ESIW）的传输特性,研究在基片集成波导上实现高Q值、低损耗和小型化集一体的高性能波导结构,并探索其在微波无源电路和天线中的应用,这对无线网络、微波成像、生物医疗、环境探测及雷达遥感等诸多领域具有重要的研究价值和长远的科学意义。本文针对高性能的慢波空腔基片集成波导技术,主要的研究内容和贡献如下:1、提出新型慢波空腔基片集成波导结构（Slow-Wave Empty Substrate Integrated Waveguide,SW-ESIW）。基于慢波效应理论和空腔波导特性,设计三层介质板的SW-ESIW结构,其中间层介质板挖矩形空气腔以减少波导中的介质损耗,下层介质板中均匀而紧密排布的内层金属盲孔可以有效地分离电场与磁场,在空腔中实现慢波效应,从而获得纵向和横向尺寸的同时缩减。介质层板的不同高度比也会改变SW-ESIW的整体性能,使其能在高Q值和小尺寸中做灵活的权衡以适应多变的应用需求。为了验证波导结构的性能,设计、加工并测试了一个四阶SW-ESIW直通切比雪夫滤波器,并与不同波导的同类型滤波器进行比较。当层板高度相同时,与ESIW结构滤波器相比,SW-ESIW滤波器能实现平面尺寸37%的缩减;与SIW和SW-SIW结构滤波器相比,SW-ESIW滤波器的仿真Q值超过了5.3倍,测试Q值超过了3.8倍以上,实现了Q值的的大幅度提升。2、在SW-ESIW结构基础上,研究多层谐振模之间的耦合,提出多层腔SW-ESIW耦合结构,设计并加工了两个五层结构的高阶模抑制滤波器。根据提取的拓扑结构和耦合矩阵,在第三层介质板中心开三个圆形金属孔,以实现谐振器之间的垂直电耦合,在第三层介质板的两侧开两个矩形槽,以实现谐振器之间的垂直磁耦合。与相同条件下的ESIW滤波器相比,横向与纵向尺寸减小了30%以上,并保持了较低的插入损耗。实现了新型波导在多层空腔上的应用,扩大了SW-ESIW在高度集成的无线系统中的应用范围,提高了SW-ESIW在基片上的部署能力。3、为了进一步提升ESIW的完整系统体系,通过在ESIW技术上研究混合电磁耦合结构的工作原理,设计混合电磁耦合四阶滤波器,提取拓扑结构和耦合矩阵,使其在通带外的上频带和下频带各产生了一个传输零点,从而提高了滤波器的频率选择特性。该滤波器通过在相邻两个空腔的顶面金属层蚀刻一个H型槽线,在保持ESIW三层结构的自封装性和高集成度的同时,提高了滤波器的频率选择性,降低了插入损耗,为设计更复杂的高性能微波电路及系统奠定了基础。随后,又将该混合电磁耦合结构应用于SW-ESIW中,相同尺寸下降低了20%的工作频率,为以后研究紧凑且高性能的SW-ESIW耦合型器件提供了重要的基础。4、以SIW背腔缝隙天线为代表,对天线的性能优化做一系列方案。为了实现天线增益的提升,将紧凑型三角形腔SIW缝隙天线1×2组阵设计;为了适应多功能可重构天线,设计了一个基于钛酸锶钡（Barium Strontium Titanate,BST）的频率可调谐SIW缝隙背腔天线,可以在保证增益不受影响的情况下,实现高达29.8%的大调谐率的频率调谐。为了进一步提高天线的增益,将ESIW和SW-ESIW应用于缝隙背腔天线,相比于SIW缝隙天线,ESIW和SW-ESIW缝隙天线分别实现了1.5d B和1d B的增益提高,且SW-ESIW较ESIW降低了30%的物理尺寸,从而验证了SW-ESIW在高增益的紧凑型天线上也有着广泛的应用前景。