随着移动无线通信的迅猛发展,新的通信标准的不断涌现。因此通信系统中天线需要覆盖尽量多的频段来满足越来越多的无线通信服务要求,这导致系统所需天线种类和数量极大增加。为了减小天线尺寸、提高系统的集成度并降低系统成本,多频段多天线共面集成技术应运而生。本文以移动通信基站和终端中的天线需求为研究背景,分别利用独立结构组合、部分结构复用及基于特征模理论的完全结构复用三种多天线共面集成技术,研究了多款共面集成化的多天线系统,解决了传统多频段和多天线共面集成设计中剖面高、隔离度低、尺寸大等问题。本论文的主要研究工作包括以下三个方面:1.基于传统的独立结构组合多天线集成设计方法,对具有剖面高和集成度低等缺陷的传统多频段多天线系统提出改进方案。首先,本文针对传统实现方法带来的高剖面缺陷和室外基站天线的业务需求,采用悬置贴片代替传统设计中的偶极子的方案来实现低频单元,提出了一款双频带双极化共面天线单元及其阵列。在保证天线性能的前提下,阵列的剖面高度约为传统基站天线的一半。其次,针对郊区作业的移动平板终端中的自组网、卫星导航及卫星通信业务,研制了一款平面结构的四天线集成系统。该天线系统采用两个相同的共面波导馈电的印刷单极子实现了移动自组网收发天线,同时利用印刷在背面的两副带有寄生金属条带的水平偶极子实现了卫星导航和卫星通信天线。仿真及实验结果表明,两个自组网天线可以产生覆盖316-708 MHz的水平方向图,实现自组网收发功能,并能在卫星导航和卫星通信频段实现上半空间的覆盖。与传统的立体结构相比,其平面化结构使之更易于被集成到移动平板终端中,大大减小了平板终端的尺寸和重量。2.基于部分结构复用的多天线平面集成设计思路,研究了两款基于腔体缝隙和贴片结构复用的平面集成天线。首先,通过对矩形贴片天线和矩形腔体进行模式分析,选择并激励了贴片和腔体中的特定模式,提出利用匹配腔和匹配贴片的方法来提高腔体缝隙天线端口的阻抗匹配,实现了具有18 dB端口隔离度的平面侧射三端口MIMO天线。该天线单元可以被用于5G大规模MIMO通信系统,大幅度减小天线阵列尺寸。其次,把工作于毫米波频段的圆形腔体缝隙天线同时作为圆形贴片天线实现低频辐射,通过对腔体和贴片天线的模式分析,实现了可以同时工作在5.8 GHz和28 GHz两个频段的方向图多样性的高低频平面集成天线。该研究成果为毫米波通信系统中天线的小型化和集成化设计提供了重要的理论基础和技术支撑。3.基于完全结构复用的多天线平面集成设计思路,实现了两款小型化宽带平面集成天线。首先,利用特征模理论对短路圆形贴片进行模式分析,选用具有类单极子的方向图同时谐振频率最低的两个模式,实现了具有高带宽体积比的双模类单极子贴片天线。其次,为了满足室内MIMO通信的需求,采用另一种加载槽和短路柱的方式对模式的方向图和频率的进行调整,在单一贴片上实现了三端口的MIMO天线。因为每个端口都是正交双模工作模式,所以该平面天线具有宽带、高隔离度及低剖面的特点。通过仿真及实验对天线性能进行了验证,该研究成果为室内基站天线的小型化设计提供了技术基础。4.利用完全结构复用的多天线平面集成技术,针对移动超宽带MIMO天线隔离度低的问题,研制了两款基于印刷单极子和渐变槽复用结构的高隔离度超宽带MIMO天线。首先,使用特征模理论对背靠背渐变槽加载的印刷单极子上的模式进行分析,利用微带馈电和中心对称馈电网络分别激励其中的两类模式,实现了具有高隔离度的两端口超宽带MIMO天线。其次,采用在印刷单极子的中上部加载渐变槽的方法,并引入集成的共面波导-槽线传输线,在共地的前提下实现了可以覆盖上半空间的完全平面化高隔离度超宽带MIMO天线。本文介绍了三种多天线共面集成的实现方法,研究了多款移动通信系统中的小型化及低剖面的高性能共面集成化多天线系统,为多频段多天线共面集成设计提供了相关理论基础及技术支撑。