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随着通信技术的发展,第五代移动通信系统（The Fifth Generation Mobile Communication System,5G）的商用即将来临。作为移动通信系统的关键组件,面向5G通信应用的基站天线的研究与设计已经成为近年来的一个研究热点。纵观国内外5G天线技术的研究现状和多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）系统的相关技术要求,面向5G系统的基站天线应该具备宽频段、高隔离度、高增益和小型化等工作特性,以便实现5G通信的高速率、低延迟、大容量以及波束聚集等特性。随着5G技术在2020年的商用,未来将会是第二代移动通信系统（The Second Generation Mobile Communication System,2G）、第三代移动通信系统（The Third Generation Mobile Communication System,3G）、第四代移动通信系统（The Fourth Generation Mobile Communication System,4G）和5G共存的局面。考虑到基站站址空间的短缺、基站平台上天线之间严重的耦合以及较高的后期网络维护成本,通信系统对基站天线的各项性能提出了更高的要求,不仅要求天线在实现相同工作特性的前提下获得更小的尺寸,更是对天线的宽带化和适用于某些领域的集成化和智能化提出了要求。本论文在介绍了基站天线的研究背景、研究意义、国内外发展现状等知识的基础上,结合移动通信系统的关键技术和研究生期间的相关科研项目,提出了四款双极化基站天线。首先,针对工作在2G、3G、4G频段（1.71 GHz-2.69 GHz）的小列间距MIMO天线阵列中天线单元之间同频耦合较为严重的情况,设计了一款小型化双极化基站天线。通过加载寄生环和角形金属结构,天线单元主辐射结构横向尺寸缩小了43.4%。将所设计的小型化天线组成列间距为90 mm（0.66λ0,λ0为中心频率对应的自由空间波长）的1×4MIMO天线阵列,相比于参考天线阵列,边缘单元的同极化隔离度在45%的相对带宽内提高了3.8 d B,中间单元的同极化隔离度提高了3.3 d B,这对于小列间距MIMO天线阵列特别是基站天线阵列的宽带同频去耦有着重要的参考价值。其次,针对基站建设中提高天线挡风能力和节约站址空间的需求,设计了一款覆盖1.7 GHz-2.7 GHz频段的具有小尺寸反射板的双极化天线。通过加载寄生环结构和引向器结构,所设计的基站天线的反射板横向尺寸仅有70 mm×70 mm（0.51λ0×0.51λ0）,整个天线的尺寸为70 mm×70 mm×68 mm（0.51λ0×0.51λ0×0.5λ0）。然后,研究了覆盖2G/3G/4G和国际移动通信（International Mobile Telecommunication,IMT）频段（1.4 GHz-2.7 GHz）的宽带双极化基站天线。针对现有基站天线工作带宽不够宽和隔离度低等问题,提出了一款基于差分单极子结构的宽带双极化基站天线。该天线采用正交放置的差分单极子对作为主要辐射结构,每一个单极子均采用一个梯形结构和一个矩形结构的组合形式来实现,用以调节天线阻抗,在较宽的频段内实现较好的阻抗匹配特性。该天线满足差分反射系数小于-15 d B的实测带宽为1.3 GHz-2.8 GHz,相对带宽为73.2%;天线差分传输系数的实测结果在1.4 GHz-2.7 GHz频段均小于-34 d B;增益为7.4 d Bi-8.7 d Bi。可见,所设计的天线具有很宽的阻抗带宽特性和较高的带内隔离度特性以及较稳定的辐射特性。最后,从5G商用初期的实际应用需求出发,设计了一款应用于4G频段和Sub-6 GHz频段的双频双极化基站天线阵列。首先,通过将交叉偶极子的末端设计成箭头形状,在偶极子臂上挖弧形槽缝和在馈电地板上开矩形槽缝,设计了一款剖面高度为0.195λ0的双频双极化基站天线单元;然后,为了提高天线增益,获得所需的波束宽度,将该低剖面天线单元组成2×2的天线阵列,并且在反射板上设计两个一分四功分器来进行馈电;最后,对天线阵列进行了加工和测试。测试结果表明,在2.3 GHz-2.7GHz频段和3.4 GHz-3.8 GHz频段天线阵列均获得了较好的电压驻波比特性、较高的隔离度特性和增益特性以及稳定的辐射特性。