近年来，随着移动通信技术的迅猛发展，特别是第五代移动通信具备了比以往更高传输速率、更大带宽容量和更低时延的特点，传统的通信技术已经无法充分地满足新兴应用的要求。为了提高容量和频谱利用率，大规模多输入多输出(Massive MIMO)作为一种关键技术，在第五代移动通信系统的建设中发挥重要作用。其中，二维扫描多波束阵列天线作为MassiveMIMO技术的重要载体之一，在第五代移动通信的应用引起了学术界和工业界的广泛关注。本文针对目前二维扫描多波束阵列天线结构复杂、体积庞大、不易集成等缺点，开展小型化、平面化二维扫描多波束阵列天线研究。另外针对目前二维扫描多波束阵列天线增益不高、副瓣较高等关键问题，研究高增益、低副瓣二维扫描多波束阵列天线。基于以上研究目标，本论文的主要研究内容和创新成果如下：
　　一、小型化和准平面化二维扫描多波束阵列天线的研究：从一维扫描多波束阵列天线出发，探究馈电网络体积庞大的本质原因。分析电路型和透镜型两类常见馈电网络的工作机理。对应巴特勒矩阵和卡塞格伦透镜，分别提出了两种不同的小型化设计方法。对于巴特勒矩阵，提出了垂直面堆叠的设计方法并基于此设计了E面巴特勒矩阵。与传统H面巴特勒矩阵相比，其面积减小了约75%。对卡塞格伦透镜提出了一种多层折叠的设计方法。该方法有效地实现了卡塞格伦透镜的小型化设计。其最终设计尺寸仅为11.6λ×7.4λ。在一维扫描的研究基础上，进一步探究小型化二维扫描多波束阵列天线的设计难点。为了克服二维扫描子网络不易集成的问题，提出了E面H面子网络多层级联的创新方法。并通过引入一种阶梯式天线布局形式，实现二维扫描馈电网络与辐射结构的紧凑集成，核心区域的面积为16.5λ×4.5λ。另外进一步探究了子网络小型化的可能性，从而进一步提升了二维扫描多波束阵列天线的集成度。
　　二、小型化和准平面化低副瓣二维扫描多波束阵列天线的研究：以一维扫描多波束阵列天线为基础，从理论上分析影响副瓣电平的关键因素。通过分析幅度相位寻找有效调控多波束阵列天线副瓣的方式。从电路型和透镜型两类馈电网络出发，探索实现小型化低副瓣一维扫描多波束阵列天线的不同方法。基于巴特勒矩阵，提出了一种双层拓扑结构。可以有效减少路线交叉并提高设计紧凑性，与传统设计相比，其尺寸减小了约50%。针对罗特曼透镜，提出了一种双端口馈电的激励方式。该方法有效提高了阵列口面的幅度锥销电平，可应用于一维扫描低副瓣多波束阵列天线的设计。通过这一激励方式，最大副瓣值由?11dB降低到了?18dB。在低副瓣一维扫描的研究基础上，探究实现二维副瓣抑制的新方式，提出了一种可提供二维幅度锥销分布的新拓扑结构。实现了小型化和准平面化低副瓣二维扫描多波束阵列天线。该设计将E面和H面的副瓣值分别由?12dB和?8dB降低到?19dB以下。
　　三、平面化二维扫描馈电网络的研究：剖析传统二维扫描馈电网络不易平面化的本质原因，探究将传统三维网络转变为二维平面网络的可能性。从二维巴特勒矩阵的结构出发，提出了一种新型的平面化设计方法。其核心在于将二维巴特勒矩阵的核心组件在三维空间进行拆分，并在二维平面内进行重组。从原理上证明了二维扫描馈电网络平面化的可能性。为了进一步简化网络，通过引入八端口交叉电桥的设计，有效减少路径交叉。使得网络复杂度大大降低和最终实现平面化二维扫描馈电网络设计成为可能。随后从设计技术难点出发，重点研究核心组件的平面化设计。首先对八端口耦合器进行三维结构到二维结构的转变。随后，通过使用双端口馈电方法，设计了一款八端口交叉电桥。基于提出的新型平面化拓扑结构，巧妙设计二维移相器，并通过组合耦合器、交叉电桥和移相器，最终实现了平面化基片集成二维扫描馈电网络。
　　四、高增益二维扫描多波束阵列天线的研究：探究限制二维扫描提高增益的关键因素。为了克服传统二维扫描馈电网络不易拓展的局限性，提出了一种新的二维扫描实现方法，有效地将幅度相位调控进行维度分离。其中一个维度的波束成型由一维扫描馈电网络实现。另一维度的波束扫描性能由方向图可重构天线实现。基于这一新的二维扫描方法，首先提出了一种新的馈电网络设计思路，可简易地拓展输出端口，实现更大规模阵列的馈电。基于此设计了一款喇叭透镜。随后对喇叭透镜的结构和性能进行改进，提出了一种新的相位补偿方法，可有效将扫描增益损失由3.9dB降低到2.2dB。并且利用反向器的概念设计了一种新型移相器，通过提供180o的移相进而有效增大移相范围。对于可重构天线的设计，提出了一款基于二进制单元加载的基片集成定频漏波天线。通过改变二进制单元的不同组合，可调控定频漏波天线的波束指向，实现波束扫描。通过级联修正型喇叭透镜和基片集成定频漏波天线，最终设计实现了一款最高增益达到22dBi的二维扫描多波束阵列天线。