本文针对新一代蜂窝移动通信基站天线在多宽频带和双极化基本制约条件下面临的高性能小型化设计方法、理论和验证等基本问题,开展新型高性能小型化基站天线研究工作。为此,基于电磁偶极子的宽带双极化原理、八木天线引向原理、镜像原理以及宽带阻抗匹配方法。首先,在0.4×0.4×0.3λ~3体积约束下提出了一种新型低轮廓(高度0.2λ)、双频段带宽分别为33%(0.69-0.96 GHz)和45%(1.71-2.69 GHz)、增益大于7 dBi、前后比(F/B)大于20 dB的共轴双极化异构单元天线(Coaxial Dual-Polarized Heterogeneous Antenna:CDPHA)的设计方法。其次,基于上述CDPHA结构和电磁特性,借助于遗传算法等数学方法,仿真研究了位于CDPHA单元之间并能与CDPHA协同辐射的高效率非均匀、相对带宽45%的双极化振子(Dual-Polarized Dipole:DPP)的结构设计和馈电技术,旨在探索高性能CDPHA+DPP非均匀线阵的混合组阵方法;在上述线阵的基础上,提出了能够有效提高700MHz频段(0.69-0.96 GHz)前后比的反射板三维结构,进一步仿真研究了基于DPP-CDPHA+DPP-DPP新型拓扑结构的紧凑型三列双极化面阵的设计方案,并重点探索了宽度较窄时上述面阵天线的宽带化特性与辐射特性。最后,为了验证CDPHA异构单元、CDPHA+DPP非均匀混合线阵、以及DPP-CDPHA+DPP-DPP面阵设计方法的有效性,本文结合2G/3G/4G蜂窝频段专门对其进行了硬件加工、安装和实测,结果表明,设计和测试具有良好一致性,从而验证了本文设计方法的可行性。