全向天线已经在无线通信领域得到了广泛的应用。为了适应现代无线通信日益宽带化和智能化的挑战,需要全向天线具备一些更优的工作性能来完成一些特殊的任务,比如宽带、高增益与小型化等。另外,在超宽带阵列天线领域,紧耦合阵列因其具备超宽工作频带、宽角扫描和超低剖面等优点备受关注,但紧耦合阵列的快速优化设计仍然是需要解决的难题。本文结合科研课题,以全向天线和超宽带紧耦合阵列为设计目标,主要围绕垂直、水平和圆极化这三种极化形式的全向天线的宽频带技术以及紧耦合阵列的快速优化设计进行了深入研究并对拓展紧耦合技术的应用进行了探讨。主要研究内容可概括为以下几个方面:1.针对垂直极化全向天线的工作需要,分析了对称振子和单极子的基本原理及其特性参数,研究了实现垂直极化全向天线宽带化、低剖面和高增益的技术途径。1).为展宽单极天线带宽和获得低剖面性能,确定了以四角锥水壶型单极子天线为设计原型,采用类锥形渐变结构和加载技术相结合的方法,设计了一款工作在数字电视频段的宽带低剖面单极子天线。2).研究传统的对称振子组成纵向阵列构成高增益全向天线的方案,结合角反射器天线的设计方法,设计了一款基于角反射器的宽带高增益垂直极化全向天线,文中给出了其详细的设计过程和实验分析。3).采用双面印刷振子和宽带Marchand巴伦结合的宽带单元形式,并将单元在轴向交替排列,设计了一款宽带高增益垂直极化全向天线,通过对其并联馈电网络与振子一体化设计并引入反射条实现了较好的辐射特性。2.对宽频带水平极化全向天线进行了深入研究。1).研究了多谐振结构实现天线宽带工作的方法,采用双层印刷的具备多谐振的水平振子结构结合平行双线设计了一款工作在4G LTE频段的宽带小型水平极化全向天线。重点分析了多谐振实现原理和小型化措施。2).结合应急通信系统需求,对超短波水平极化全向天线进行研究,实现了天线宽带化和小型化的技术要求。采用末端短路技术实现了X型振子的小型化,并结合平行双线和宽带巴伦的设计方案,实现了天线宽频带工作。着重分析了馈电网络和振子的结构对天线带宽和辐射性能的影响,通过优化其结构,改善了天线水平面方向图的不圆度。3.讨论了圆极化全向天线的宽频带措施和方法。1).设计了一款用于WLAN通信的圆极化全向天线,采用单极子模式和弧形枝节相结合的形式,实现了圆极化电磁波的全向辐射,通过耦合馈电的形式实现了轴比带宽的宽带化。2).为改善上述圆极化全向天线阻抗带宽不宽的情况,结合贴片天线宽频带技术,在上述结构基础上引入了另一个耦合的谐振枝节,成功地实现了双频谐振工作,大大展宽了带宽,分析了两种不同的谐振路径及其对天线匹配和辐射性能的影响。4.对超宽带紧耦合阵列天线的优化设计进行了研究。1).针对阵列单元的设计,采用阵列的等效电路方法和无限周期边界的全波仿真方法对单元性能进行初始优化,其中对比了两种方法在各扫描面的匹配特性并进行了分析。2).为实现全波仿真对阵列等效电路模型的快速等效,采用进化算法结合高斯过程的协同算法对紧耦合阵列单元进行快速优化设计,大大提高了紧耦合天线阵的设计效率。3).在上述基础上,对有限紧耦合阵列的截断效应进行了分析和处理,最终完成了规模为3×8的超宽带紧耦合阵的设计,对其各扫描面的端口匹配特性和阵列扫描特性进行了分析和探讨。实际制作了天线原理样机,并对其匹配特性进行了测量,测量结果验证了设计过程的正确性和有效性。5.对紧耦合技术在圆极化天线设计中的应用进行了探讨。首先基于紧耦合技术的设计思想,采用了顺序馈电的末端强耦合的对称振子和L型探针结构,再结合宽带阻抗变换网络和功分网络,实现了两款定向圆极化天线的设计,在保证宽频带工作的同时,实现了天线的小型化和高增益辐射特性,有效扩展了紧耦合技术的应用范围。