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从第一代(1 Generation,1G)无线通信系统诞生,到目前第四代(4 Generation,4G)无线通信系统的广泛商用,无线通信系统的功能已从最初的仅支持语音业务拓展为目前的可支持语音和高速数据业务。而随着第五代(5 Generation,5G)无线通信系统的逐步部署,无线通信技术将更深入地渗透到人类生产生活的各个方面,使得整个社会发生深刻的变革。在4G通信时代,移动通信设备数量急剧增加,单个设备的数据使用量也快速增长。而5G以支持增强移动宽带(Enhanced Mobile Broadband,EMBB)、大规模机器通信(Massive Machine Type Communication,MMTC)和超高可靠性低时延通信(Ultra-Reliable and Low Latency Communication,URLLC)为目标,这将进一步引入海量的设备连接和千倍的流量增长。因此,无论是目前广泛使用的4G通信还是未来的5G通信都要求通信系统具有高数据传输速率和大信道容量的特点。天线作为通信系统中信号发射的最后环节和信号接收的第一环节,直接影响着整个系统的性能。多频带和宽频带天线可以很好地满足通信系统高数据速率和大信道容量的需求,并有利于实现系统的小型化设计;而进一步将圆极化与多频带/宽频带天线相结合,可以实现天线的多功能性,从而满足无线通信系统多样化的应用场景需求;另外,多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)天线技术分别在接收端和发射端采用多个天线,通过空间复用,可以在不增加带宽的条件下成倍地提高系统的信道容量。本论文基于4G和5G通信的应用背景,以改善天线性能为目标,对多频带/宽频带天线和MIMO天线进行了较为深入的研究工作,具体内容如下:1.多频带平面天线的研究。本论文首先提出了一款能够覆盖GPS/LTE/WLAN/Wi-Fi/WiMAX多种通信标准的三频带平面单极子天线。通过加载不同的谐振单元,该平面单极子天线实现了在1.55-1.67GHz、2.2-3GHz和5.13-6GHz三个频带内的有效辐射。同时,本论文还提出了一款能够覆盖WLAN/WiFi/Bluetooth/WiMAX无线通信标准的双频带圆极化平面印刷天线。该天线通过在L型单极子天线上表面加载倒L形金属带,以及在金属地面上开槽并加载L形枝节,实现了在2.39-2.75GHz以及5.15-6GHz两个频带内的圆极化辐射。2.新型宽带圆极化天线的研究。应用在行波管中的折叠框慢波结构具有宽频带的特点,本论文将三维的折叠框结构改造为二维平面结构,通过利用其能够提供横向电场和纵向电场分量的结构特点,设计了一款具有圆极化特性的单周期平面折叠框天线。为进一步提升性能,将单周期平面折叠框结构改进为多周期平面折叠框结构,并对每个周期中的微带枝节的长度进行了渐变处理,得到了最终的渐变多周期平面折叠框天线。最终测试结果显示:渐变多周期平面折叠框天线的-10dB阻抗带宽为1600MHz(4.5-6.10GHz),3dB轴比带宽为1100MHz(4.7-5.8GHz)。3.二元高隔离度MIMO天线的研究。天线单元之间的隔离度问题是MIMO天线研究的焦点之一。本论文基于最简单的矩形贴片天线,研究了加载弯折线对提高天线单元间的隔离度的效果。研究结果表明:通过在两个矩形贴片天线单元之间的地面上开槽并加载单弯折线,其隔离度相较于简单的地面开槽去耦合的方法提升了18dB;而进一步改变弯折线的加载形式,并将单弯折线增加为双弯折线,矩形贴片天线单元之间的隔离度可以提升31dB,从而实现了MIMO天线单元之间的高隔离特性。4.自隔离宽带MIMO天线的研究。MIMO天线单元之间隔离度的提升往往以增加天线的复杂度或单元间距为代价,这将不利于MIMO天线的简易加工和小型化设计。本论文提出了一款具有自隔离特性的宽带圆极化二元MIMO天线,该设计将两个具有圆极化特性的天线单元分别印制在介质基板的上下表面,利用极化分集技术和天线单元地面上加载的倒L形金属枝节,实现了天线单元间距为0mm的情况下较高的隔离度。另外,本论文还设计了一款具有自隔离特性的可延展宽带MIMO天线。该设计利用天线单元的地面上加载的两个倒L形金属枝节实现了相邻单元在间距为0mm时较高的隔离度,同时该天线具有可延展性,可根据实际工程需求对天线单元的数量进行拓展。