微波无线输能是以微波为能量载体,通过天线近场或远场辐射波束传输能量的技术。与电磁感应耦合式、磁谐振耦合式等无线输能技术相比,微波输能技术具有一发多收、部署简便、传输距离远等优势,在太阳能卫星无线输能、近空间飞行器无线供能、传感器无线自供电等领域应用前景广泛。天线是一类实现电路振荡能量与电磁波辐射能量相互转换的电磁结构,为无线信息/能量传输系统的核心部件,其馈电/辐射效率、波束传输特性等性能决定了无线能量传输系统的效率。因此探索和发展高辐射效率、近似无衍射辐射波束等新型微波天线结构、工作机制及设计方法已成为无线输能学术界和产业界的研究热点。然传统自聚焦微波波束发射阵列天线及其馈电网络架构复杂、能量转换效率低,电磁波波束在空间传播过程中会发生衍射等扩散现象导致其空间传输损耗大,经典微波输能收、发阵列天线的系统口径利用率低而未能实现最大的电磁波空间传输效率。本论文针对上述科学问题,深入研究了自聚焦波束的高效辐射机理、近似无衍射微波波束赋形方法、高密度收/发阵列天线系统的口径效率提升机制等关键技术,发展出自聚焦波束发射天线阵列的低插损馈电网络架构及其馈电信号的幅度与相位独立调控方法、近似无衍射微波波束天线的阵列架构及其馈电网络的快速综合方法、高密度收/发阵列天线系统架构及实现高效空间传输效率的阵列激励方法,系统分析了这些微波输能阵列天线及其波束赋形特性、波束能量的空间传输效率等性能。本论文的主要研究工作及创新贡献如下:1.针对实现自聚焦波束赋形的传统矩形阵列天线的馈电网络架构复杂且插入损耗大、天线口径效率和辐射效率低等问题,提出了一种自聚焦圆形阵列天线架构及基于径向波导TEM模式的圆形等幅、等相分布馈电网络结构,其能显著降低自聚焦波束天线的赋形网络复杂度和馈电网络损耗,提升天线的辐射效率。通过在径向波导内各耦合单元处加载金属圆柱型分流阻抗变换器,降低了各天线单元馈电端口处反射损耗、减小了径向波导馈电网络的插入损耗;通过独立设计径向波导内不同半径处圆形阵列耦合单元结构、耦合单元-天线单元间微带传输线相移结构,消除了馈电信号幅度、相位之间的互耦效应,实现了切比雪夫函数型幅度、平方律相位特性的阵列馈电信号及高效自聚焦波束赋形。设计研制出口径面直径为610 mm的5.8 GHz自聚焦圆形阵列天线,得到天线波束赋形网络的插入损耗0.46 dB,天线辐射效率84.5%;相同的收、发阵列天线间距5 m时,测试得到自聚焦波束的能量空间传输效率达到54.5%,高于相同传输条件的等幅度聚焦波束、切比雪夫函数型幅度分布式聚焦波束的空间传输效率。2.针对波束扩散效应使电磁波波束能量在自由空间的传播损耗按距离平方律增大而致有限口径天线接收的能量低之问题,基于携带有限能量的准艾里波束、准贝塞尔波束具有近似无衍射的传播特性,提出了准艾里/贝塞尔微波波束进行高效微波能量传输的思想及实现准艾里/贝塞尔微波波束辐射的阵列天线结构。基于准艾里波束初始参考面上的电磁场分布特性和奈奎斯特采样定理,提出了应用采样的微波信号（预定的馈电信号幅度和相位）馈电微带贴片阵列中各阵元实现准艾里微波波束辐射的方法,设计出其馈电网络架构;开发出快速获取准艾里波束辐射阵列所需的三级非均匀功率分配式微带馈电网络各参数的模拟退火与迭代优化算法,实现了基于微带天线阵列的准艾里波束高效赋形。设计研制出基于微带贴片天线的5.8 GHz准艾里波束辐射阵列结构,测试获得其辐射波束具有自加速（抛物线轨迹）等艾里波束传播特性,单个准艾里波束辐射阵列的波束从1 m传至3 m的能量损耗为1.46 dB,两个准艾里波束辐射阵列合成的聚焦艾里波束从3.5m传至4.5 m的能量损耗为2.14 dB,该损耗低于按距离平方律关系衰减的传统电磁波波束传播损耗。在研究直线传播的准贝塞尔波束传输特性基础上,通过目标场合成法设计出同心圆环阵列式准贝塞尔波束辐射结构,在相同的传输条件下获得准贝塞尔波束较等幅度聚焦波束的空间传输损耗降低了3.66 dB。3.针对微波能量传输系统中收、发阵列天线的口径利用率低等问题,提出了一种高密度阵列式收、发天线系统架构,通过基于周期边界条件的无限阵列等效模型理论分析与特性仿真揭示出阵元间距对单元辐射效率、单元馈电端口回波损耗等参量,进而对收、发阵列之间能量传输效率的影响机制及规律,基于N×M等效网络的S参数推导出发射阵列天线的激励系数。仿真得到了相同高密度阵列结构、不同激励系数分布的收发系统间能量空间传输效率特性,其能有效指导给定口径尺寸的高密度阵列天线设计。设计出8×8 LC型阵元、口径为99.2 mm的5.8GHz阵列天线,其波束能量空间传输效率高于仅有3×3/4×4阵元的阵列天线。本论文研究发展出高效自聚焦波束、近似无衍射波束、高口径效率等天线结构、波束赋形及设计方法,研制出微波段高效自聚焦波束、近似无衍射波束等阵列天线,其能有效降低微波能量的空间传输损耗,提高微波输能系统效率。这些研究成果为高效微波输能系统实现提供了新途径,有益于推动微波输能技术应用。