针对单个偶极天线辐射功率低的问题，设计了透镜天线和光电导天线阵列来提高天线的辐射性能。首先，设计了半径为0.5、1.0和1.5 mm的透镜天线，研究了透镜的半径和扩展长度对天线辐射性能的影响。结果表明，当扩展长度与半径比值为0.28时，透镜天线的方向性更好，0.5 mm的透镜天线的峰值增益达到26.1 dB。进一步，设计了2×2光电导天线阵列。通过试验测得阵元的辐射功率约为10 μW，并且阵元的信噪比约为50 dB。试验结果表明太赫兹信号的合成效率接近90%，提高了太赫兹输出功率，从而为设计制作包含更多阵元的小型化天线阵列提供基础。同时，对影响光电导探测天线的噪声因素进行了探讨。

透镜天线阵列下毫米波大规模多输入多输出(MIMO)系统通过波束选择可以大大减少所需的射频链数目, 解决系统硬件成本和能耗过高的问题, 然而, 波束选择需要基站端获取准确的信道状态信息。对此, 文章首先利用波束空间的结构特性, 采用基于支持检测(SD)的信道估计方案, 以较低的导频开销和计算复杂度对大尺寸信道进行更加可靠的估计；其次受仿生学中蚁群优化(ACO)算法的启发, 文章提出了一种基于SD估计信道的ACO波束选择方案, 该方案既能有效地避免用户间波束的干扰, 又能最大限度地提高系统和速率；最后, 仿真结果表明, 该方案能够得到计算复杂度显著降低的近优解, 在提高系统和速率方面优于现有方案。

为了获得具有高增益特性的天线, 对传统透镜天线工作原理进行了分析。因为透镜天线板间电场模式与波导中电场模式类似, 以此为依据通过改变金属透镜的金属平板间距和板脊高度, 设计了一种新型金属透镜天线, 迥异于传统金属透镜天线的凹形曲面结构。该天线金属透镜由多片长方形侧面加脊金属板组成, 能够很好地调节口径面的相位分布, 以此实现口径面同相分布, 从而获得高增益性能。

设计了一种高集成检波器, 其包含贴片天线、匹配电路、肖特基二极管和透镜.在中芯国际130 nm工艺下将天线、匹配电路、肖特基二极管集成到一个芯片上, 检波器的集成度相比于分离式有了明显的提高.为增强片上天线的方向性, 进行了带有空气腔的尼龙透镜的设计和优化.透镜上的空气腔不但提供了组装空间而且减小了透镜体积.通过测试, 天线在220 GHz辐射增益为22 dB, 其中透镜贡献约为20 dB.检波器测试得到的响应率可达到130~150 V/W,等效噪声功率计算为400~460 pW/Hz.

龙伯透镜天线是一种独特的渐变折射率透镜天线, 但因为某些缺陷其应用受到限制。近年来, 人们采用变换光学方法和超材料理论设计了许多以平板龙伯透镜为代表的新型透镜天线。本文对比总结了变换光学设计透镜的3种方法, 即坐标变换法、保角变换法和准保角变换法; 指出了准保角变换法由于设计灵活、可使用全介电材料制备而更具研究和应用前景; 详细阐述了准保角变换法设计透镜的原理和步骤; 介绍了国内外关于透镜变换和制备具有影响力的研究成果; 指出了变换光学透镜天线今后的研究方向。

为了提高太赫兹通信天线的增益和定向性, 提出了“井”字堆叠型透镜天线。该透镜天线工作在太赫兹第一大气传播窗口内, 由初级馈源天线和透镜两部分构成。设计了角锥喇叭天线作为透镜天线的初级馈源; 根据菲涅耳-基尔霍夫衍射理论和傍轴近似条件设计了“井”字堆叠型透镜用于聚焦太赫兹波, 并分析了透镜结构在平面波入射时的聚焦场分布。利用控制变量法分析了透镜天线的全波周期和焦径比等结构参数对其远场辐射性能的影响。对所设计的透镜天线进行了实物加工和测试。实验结果表明: “井”字堆叠型透镜天线的加工和组装工艺简便, 具有对称的辐射模式, 在320~380 GHz的工作频段内的增益高于26.4 dB, 3 dB主瓣宽度低于4.8°, 基本满足太赫兹通信系统对天线的高增益和强定向性等要求。

利用电磁波射线理论对透镜天线进行了分析, 基于扩展半球透镜与椭半球透镜的拟合, 设计了中心工作频率为1.6 THz的扩展半球透镜天线。该天线采用方形螺旋天线作为平面辐射体, 利用同轴线进行馈电, 增益约为15.0 dBi。研究了透镜半径、扩展距离和介质材料对天线性能的影响。在扩展半球透镜天线的基础上, 通过在天线上方放置扩展半球透镜、为扩展半球透镜添加匹配层对天线性能进行了改进。结果表明, 改进后的透镜天线增益达到17.0 dBi, 与扩展半球透镜天线相比, S11参数减少了11.65 dB, E面主瓣宽度降低了60°。透镜天线良好的增益特性和定向性能够很好地满足太赫兹通信系统的要求。

针对太赫兹波探测与通信的具体应用，基于微波、毫米波定向天线的设计与应用基础，对四种0.36 THz的太赫兹波定向天线(即馈源喇叭天线、双抛物面卡塞格伦天线、天线透镜以及偏馈式单反射面天线)进行了有效的设计、分析、仿真与制作。对上述几种太赫兹波定向天线的设计及分析，为基于微波倍频技术的太赫兹波技术在定向探测和通信中的应用，提供了天线技术方面的理论和实践依据。

设计了一种椭圆形柱面透镜天线阵列。为改善天线的辐射性能，考虑到高功率应用中的高压击穿问题，提出在横截面为椭圆形组合矩形的天线罩内填充变压器油的方法，并将三元刀型天线阵列密封其内，形成介质透镜天线阵。利用椭圆的几何聚焦能力和介质的缩波效应，提高天线阵列的主瓣增益，并增加天线阵列的电尺寸。通过调整天线阵列的单元间距，相较于不加透镜的阵列结构，该结构的轴向远场电压峰峰值增加41%，远场辐射波束宽度变窄，前后比也得到改善，且增益提高了4.96 dB，功率容量提高338倍，达9.63 GW。