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微波输能(MPT,Microwave power transmission)技术以微波为载体,在两点之间进行能量的无线传输,是太阳能卫星计划、分布式可重构卫星系统、近空间飞行器和无线传感网络的关键技术。毫米波输能系统具有体积小、传输效率高等优点,已成为国内外研究的重点。整流天线将微波能量捕获并转换为直流,是MPT系统的关键部件。本论文主要研究Ka波段整流天线及其阵列的基本设计理论与实现方法,主要包含以下三个方面内容:第一,研究设计了毫米波整流电路。由于理论公式和软件仿真在毫米波整流电路设计上的局限性,采用实验方法来获取二极管输入特性。根据测试电路得到二极管在Ka波段上的输入阻抗,设计了二极管并联和串联毫米波整流电路。在35GHz上,当输入功率为19dBm时,测得整流电路的最大转换效率达到51%以上。在10dBm低输入功率下,效率大于30%的带宽分别达到11.4%和6.3%,具有宽带整流的特性。第二,提出了三种中心频率为35GHz的高增益宽带毫米波天线。提出在贴片周围加载SIW(基片集成波导,Substrate Integrated Waveguide)腔的方法,使SIW缝隙耦合贴片天线单元增益提高了1.5dB,实测其4元阵增益达到14.7dBi,阻抗带宽为18.5%;提出圆形互补PRS(Partially Refletive Surfaces,部分反射面)结构,结合SIW腔加载实现了高增益宽带、双极化Fabry-Perot毫米波天线,实测其公共工作带宽为7.1%,在两个极化方向上增益分别为15.1dBi和16.1dBi;利用所设计的零介电常数超材料加载,提出了等波束、高增益以及具有谐波抑制功能的Vivaldi缝隙天线,实测增益提高到11.1dBi,相对阻抗带宽为38.6%。第三,基于设计的Ka波段整流电路和天线,提出了两种工作在35GHz的二极管串联型整流天线单元及阵列。在10mW/cm~2的低输入功率密度下,SIW缝隙耦合贴片整流天线和超材料加载Vivaldi缝隙整流天线的单元转换效率分别为35%、47%,输出直流功率分别大于3.5mW、7.5mW,效率性能已达到国际领先水平。此外,提出的4×4贴片整流天线阵列在距离发射天线5cm处,获得14%的系统转换效率。