天线作为收发设备前端中将电磁波发射和接收的部件,在通信系统中一直占据着十分重要的作用,除此外,它还广泛用于雷达、遥感探测、医学探测等领域中。为了实现现代通信系统中对大容量数据传输的要求并且节省天线所需安装空间,天线通常具有多频带、宽频带以及小型化等设计要求。然而小型化与多频带、宽频带以及特定辐射模式之间的矛盾使这类天线设计相当困难。实际上,有限空间对天线的性能有着一定的物理限制,该物理极限限制了有限空间天线设计的可能性。本文将对有限空间内天线的极限带宽进行分析,并且提出在指定设计区域内充分利用有限空间的天线拓扑优化设计方法,完成对天线的设计任务。本文的主要工作包括:首先,分析了天线极限带宽的研究背景以及发展现状,对有限空间中只有单谐振点的天线进行了极限带宽分析。天线的带宽由匹配网络和天线Q值两个因素决定。天线Q值是空间储能与辐射能量之间的比值,是天线的本质属性。当天线Q值越小则通过匹配网络得到宽带天线的可能性越大。更一般地,针对谐振式天线天线Q值与带宽成近似反比关系。本文依据天线的表面电流求解极限Q值和带有辐射模式限制下的极限Q值,再根据带宽Q值反比关系反推所能达到的最大带宽。此外,针对目前天线设计方法中自由度过小的缺点,提出了一种基于遗传算法和矩量法的天线拓扑结构优化方法。拓扑优化方法对所选取的优化区域进行任意形状的优化,不限于开槽弯折等等,具有设计自由度高的特点,更加适用于多功能化的天线。为了实现天线的多频带与宽带化,本文在适应度函数中引入了天线Q值,在没有增加天线面积以及添加匹配网络的情况下的情况下将小基站天线的优化算例中高频段的工作带宽由1690MHz-1920MHz提升至1680MHz-2710MHz。为了进一步解除馈电位置限制提升优化自由度,本文按照“先形状后馈电”的思想,提出了一种基于子结构特征模的天线拓扑结构优化方法。这种方法先基于子结构特征模理论找到天线结构的潜在辐射模式,通过迭代改变天线形状找到符合设计要求的特征模式,接着利用阻抗图寻找最合适的馈电点。本文还利用特征模之间模式远场正交的特点,设计了可以运用于MIMO系统中的双天线拓扑结构,在不使用去耦结构的情况下实现双天线之间-13dB以上的隔离度。