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移动通信在发展的过程中不断优化着用户体验,随着人民群众以及各行业日益增长的对更佳通信质量的需求,第五代移动通信（5G）已逐步推进建设。其中,毫米波频段的使用将缓解频谱资源短缺问题,实现高速率、低时延通信。毫米波天线作为无线通信中的重要一环,具有极高的研究价值。然而,毫米波损耗大、衰减快、传播距离近以及覆盖范围窄等问题限制了毫米波通信建设的推进。针对以上问题,本文围绕24GHz频段开展高增益毫米波多波束天线的研究。研究了基于改进型Butler矩阵的双极化毫米波多波束阵列,达到了宽角度低副瓣扫描的效果;研究了基于分区混合相位的毫米波多波束传输阵列,实现了宽覆盖与改善增益平坦度。论文的主要工作包括:1.基于传统Butler矩阵的双极化毫米波多波束天线阵列研究。首先,分析与设计了中心频率为24GHz的4×4 Butler矩阵馈电网络;其次,采用串并混合的馈电方式设计并优化了双极化天线阵列;最后,结合传统Butler矩阵实现了双极化天线阵列的多波束辐射,仿真结果显示,阵列增益达到17.1dBi。2.基于改进型Butler矩阵的双极化多波束天线阵列研究。针对传统Butler矩阵馈电网络所带来的副瓣电平较高的问题,利用电流逐级递减的原理设计并优化了两款具有不等幅电流分布的改进型Butler矩阵,有效抑制了基于Butler矩阵馈电网络的多波束阵列在大角度扫描时的副瓣电平。其中,设计一通过在Butler矩阵终端加载功分器,实现了4×4 Butler矩阵的锥削功率输出,仿真结果显示,改进型矩阵使得多波束指向范围内的副瓣电平均优于-10dB,获得了15.7 dBi的最大增益。与传统Butler矩阵相比,改进型4×4 Butler矩阵在最大扫描角度获得了3dB的副瓣电平下降值。在此基础上,设计二研究了4×6的Butler矩阵,实现了波束指向范围内副瓣电平优于-14dB的多波束天线阵列,获得了18dBi的最大增益。3.基于分区混合相位的电磁超表面毫米波多波束传输阵列设计。针对基于电磁超表面的传输阵列扫描范围小、增益平坦度低的问题,提出基于分区混合相位分布的电磁超表面传输阵列设计方法。该方法有效拓宽了电磁超表面传输阵列的波束扫描范围,减小了因波束扫描所带来的增益损失。基于上述方法设计实现了多波束传输阵列天线,仿真结果显示,该天线的扫描范围为±28°,最大增益为20.2 dBi,增益平坦度为0.8 dB。测试结果表明,该天线的扫描范围为56°,最大增益为19.9 dBi,增益平坦度为1 dB。