Ku波段的卫星通信具有全球可用性和高传输速率等优势,因此受到了各界的重视。目前国内采用14 GHz-14.5 GHz作为Ku波段卫星的发射频段,12.25 GHz-12.75 GHz作为接收频段。为提供结构紧凑、设计灵活和性能优异的天线设计方案,高增益的金属波导天线吸引了研究人员的广泛关注。本文以Ku波段卫星天线为研究背景,对基于波导结构的双线极化阵列天线、双线极化相控阵天线和双圆极化天线进行了设计与分析,主要的研究内容和技术创新点包括:1.双频双线极化波导阵列天线针对双线极化阵列天线的端口隔离度差、交叉极化抑制差等问题,提出了小型化正交模耦合器,并将其集成到天线阵列中。采用相互垂直的阶梯过渡段和耦合过渡段分别传输TE10模式和TE01模式,实现了发射波段水平极化波和接收波段垂直极化波的共口径辐射,有效降低了端口间的耦合,提高了端口隔离度;基于3D金属打印工艺对4×4喇叭天线阵列进行了加工验证,测试结果表明天线阵列的散射参数覆盖了 Ku卫星通信频段,带内隔离度高于42 dB,增益高于26.4 dBi,交叉极化抑制大于33 dB,辐射效率高于90%。2.双频双线极化波导相控阵天线针对大型相控阵天线增益低、栅瓣高等问题,提出了加载低剖面圆形栅格的子阵扫描波导相控阵。采用集成正交模耦合器的正弦赋形喇叭天线作为双线极化波的共口径辐射单元,实现了 Ku波段高增益、高效率的辐射特性;利用低剖面圆形栅格来降低组阵后的栅瓣电平,8×8阵列的栅瓣电平低于-20 dB;采用1×8的线性子阵作为波束扫描的基本单元,利用转弯波导实现了紧凑型馈电设计。所设计的双线极化相控阵天线实现了一维平面内±6°波束扫描,其发射和接收端口的散射参数满足Ku波段卫星通信上下行的需求,端口隔离度高于40 dB,峰值增益为34.1 dBi,在波束扫描角度内,增益变化平稳。3.双频双圆极化波导天线针对现有双圆极化喇叭天线的剖面高、隔离度差等问题,提出了切角辐射槽喇叭天线。采用小型化的正交模耦合器为圆极化天线提供两个正交线极化波,提高了输入端口的隔离度;采用45°切角槽喇叭作为具有线转圆特性的辐射结构,使正交的线极化波产生±90°相位差,实现了双圆极化共口径辐射,有效降低了剖面高度和设计难度。所提出的双圆极化喇叭天线剖面高度仅为2.5λ,轴比带宽大于29.6%,天线增益高于12.9 dBic,两个端口的隔离度高于28 dB。