无线通信在二十一个世纪的发展正进入一个新时代,经历着比以往任何时候都快速的增长。在对更好的频谱效率,更高的数据速率,更高性能的无线通信系统的追求中,领先技术如LTE(长期演进),802.16先进技术的WiMAX(微波接入全球互通)和IEEE 802.11n标准的Wi-Fi(无线保真),一起定义了目前通信的增长路线图和新兴的3G(第三代移动)和4G(第四代移动电话)系统和无线通讯产业的整个未来。在这演进过程中,作为无线通信设备和自由空间电磁波信号之间的接口,天线发挥了独特的作用,离开了天线,无线通信无法实现。近年来,为了与通信系统演进保持同步,研究者不断地提出新的宽带-多频带天线结构,以便跟随无线系统优化升级要求定义的新带宽范围和标准。虽然天线设计和应用到目前为止可以视为是较成熟的技术,但为满足无线通信发展的需要,天线技术仍需要进一步研究,如研究宽频带-多频段,高增益的新型天线结构。天线的小型化、设计的简化和成本的降低、以及新型无线系统的有效实现仍然有较大难度。其次,大部分体积小的天线一般增益低,而无线通信设备集成的天线往往是专门对特定应用的带宽需要而设计的,其几何形状复杂的缺点,难以扩展到其它工作频率和带宽。第三,多天线波束形成系统按照目前先进的智能天线技术比较复杂,成本高,难以用于个人无线通设备。因此,目前和未来通信需要更多新型结构的天线解决方案。这篇论文中,我们在天线技术领域内将探讨无线通信系统的创新前沿,特别重视适用于无线通信设备的小型化天线单元和阵列。论文的内容主要集中于提出新的天线解决方案,实现上述强调的若干天线性能指标。整个论文研究过程中采用《半解析》方法来描述大部分新的天线模型。天线元件的工作主要依赖于其对应的波长,所以以波长形式表示天线几何结构能给出更直观的设计和策略优化方案。论文首先提出了一个新的天线单元；平衡偶极天和接地面上单极子合成天线单元。该新型混合偶子极一单极子(HDM)具有宽带,高辐射效率高,几何结构简单,馈源简便等特性,并可用于定向增益模式和双极化模式。其二,我们提出了一个设计微型化多频段悬板天线的方法,并设计了周期悬板天线天线(PSPA),该天线具有多波段性能,且该性能与接地板大小基本无关。三,论文提出了一类新行波天线,即衰减谐波行波天线(DHTWA)。这一类新行波天线的几何形状由截断周期函数和指数衰减函数的乘积决定,能简单地在任何工作频率下建模及有效的控制行波特性以实现高增益,宽频带和多频段响应。第四,我们提出了渐变槽天线定向增益增强的设计方法。我们同时研究了具有高增益,高前后比和宽带的Yagi形双锥形槽(DTSA)天线。论文最后研制了基于定向天线单元,适用于波束选择MIMO系统的微型化双频双极化天线阵列(DBDPA)。新阵列结构可支持实现阵列增益、分集增益和空间复用,并具有抗干扰能力,可用于智能MIMO无线网络接入点(AP)。论文目标是提出新型,宽带-多频段天线和天线阵列结构及其设计方法。特别是结构紧凑的天线,其频谱在700MHz-6 GHz内,能支持大部分3G和4G无线通信系统,Wi-Fi(无线保真),WiMAX和HSPA(高速分组接入)和LTE等先进技术。