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天线,它是一种能够将传输线导行波转化为空间电磁波的转换器,从而将要发送的信息通过电磁波传送出去,是无线通信系统与空间进行能量转换的重要器件。因此,通信质量是好还是坏由用于无线通信系统的天线辐射性能决定。由于无线通信系统的快速发展和越来越高的需求,军用和民用天线系统的发展趋势是设备的小型化,抗干扰,高增益和大角度扫描。基于这些情况,本论文系统地开展了高性能多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）天线的设计理论与实现方法的研究。其中包括天线的小型化设计、提高抗干扰能力的研究、MIMO阵列去耦研究、提高天线方向性以及实现天线的大扫描角研究,适用于电子通信系统的需求。总的来说,本文的研究情况可以概述为以下四个方面。1.根据目前天线小型化的需求,进行了天线微小型化技术的理论研究与实现方案。近年来,新型电磁超材料（Metamaterials）的发展在科学领域引起了极大的兴趣。新型电磁超材料这些独特的电磁特性使其在改善天线性能上有着巨大的应用潜力和发展空间。人造磁导体（Artificial Magnetic Conductor,AMC）由于其零反射相位、亚波长以及较大的寄生电容和电感等特性,可以应用到天线上减小天线的体积。利用人造磁导体的同相反射特性,实现了天线的微小型化设计。研究分析了人造磁导体的同相反射带隙,通过将微带偶极子天线与人造磁导体结合起来设计出工作频带在2.4GHz-3GHz剖面小于0.1?（15）的双极化单元天线。2.天线主方向的带外增益会与其他信号相互干扰,影响天线的性能,因此在保证天线在要求的频带内正常工作以及方向图良好的前提下,将天线的带外增益降低具有一定的必要性。本文提出了一种基于超宽带通信系统的双频可调节的陷波天线,降低了WiMax和WLAN窄带通信系统对UWB的影响,提高了天线系统性能。同时,本文设计了三种滤波天线。一种是在印刷偶极子天线上引入阶梯阻抗谐振器（Stepped-Impedance Resonator,SIR）,实现了2.5倍频的带外抑制;第二种是在偶极子天线辐射片上刻蚀两对阶梯阻抗谐振器和方形开口谐振环（Slit-Ring Resonators,SRR）,由此分别在天线工作频带左右两侧产生了2个谐振零点,一种带通滤波偶极子天线被设计出来;最后一种是将与地通过金属通孔相连的微带线、方形开口谐振环和蚀刻在偶极子上的阶梯阻抗谐振器引入偶极子天线中,最终实现了宽带抑制的带通偶极子滤波天线。除此之外,还基于人造磁导体设计出低剖面的双极化滤波天线,同时实现了天线的小型化以及抗干扰。3.在前面设计的单元天线的基础上,进一步组成多种MIMO阵列,研究阵列天线的工作特性,同时对阵列天线实现去耦。本文设计了多款去耦结构用于提高天线之间的隔离度。首先是将低剖面双极化天线单元组成1×4天线阵列,通过在天线之间加入3个去耦枝节实现了工作带宽内10dB的去耦效果;同时在人造磁导体反射板上引入两排金属通孔实现了低剖面偶极子天线30dB的端口隔离;还有通过在人造磁导体反射板上引入折叠T型枝节和在倒H型栅栏,在表面波耦合和空间波耦合两种耦合途径上进行去耦,实现了20dB以上的耦合降低,有效地保证了MIMO天线的独立工作性能。4.针对电子系统对天线高定向性以及大扫描角的要求,本文利用基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW）腔体的低损耗,小型化,易集成的特点,设计了一款工作在5G毫米波频带的双极化SIW天线。接着,根据Fabry-Perot谐振器原理,一种介质平板透镜被加载在设计SIW天线单元上实现了天线增益7dB的提高,还将介质平板透镜应用于阵列天线上,都有效地实现了天线阵列增益的提高。最后,将一种“井”字型电磁超材料透镜加载在所设计SIW天线的表面,用来展宽天线的波束宽度。所设计1×4、4×4的SIW天线MIMO阵列的最大波束扫描角度都比之前的天线阵列扫描角范围大大提高了。本文所提出的技术方法为5G毫米波基站天线提供了可行的技术保障。