当前无线通讯行业已经进入了 2G/3G/4G多网融合布网和以Massive MIMO为代表的第五代移动通讯系统展开前沿性技术研究的关键阶段。一方面,作为移动通讯设备前端部件,基站天线在满足多系统、多制式等需求的同时,还需要具有良好的辐射性能。另一方面,具有较小尺寸的超宽带、多频段、双极化性能的天线和Massive MIMO阵列天线能够较好的解决无线网络布网中面临的各种难题,可为运营商建站提供更好的选择。所以,本文从无线网络应用的需求端出发,在基站天线宽带双极化辐射单元、多频双极化辐射单元、垂直面方向图波束赋形技术、Massive MIMO阵列天线领域进行了研究和分析。本文的主要贡献总结如下:1.对宽带双极化基站天线辐射单元进行了研究。设计了两款分别工作于基站天线低频段和高频段的宽带天线单元。采用弯折形辐射臂,有效减小了低频天线单元的纵向尺寸,实现单元尺寸小型化要求;相邻偶极子辐射臂的末端采用弯折处理,在两个相邻偶极子间引入了较强的耦合效应,有效地展宽了辐射单元的阻抗带宽,实现单元工作带宽的宽带化。高频双极化天线单元的辐射臂采用方形贴片设计方式,延长了天线表面激励电流的流通路径;同时在两个偶极子间存在着的较强互耦效应,改善了辐射单元端口输入阻抗的实部阻抗,使其随频率变化的波动趋势变缓,从而有效展宽了辐射单元的阻抗带宽;最后,采用同轴电缆和馈电片相结合的馈电方式,将馈电同轴电缆焊接在巴伦臂上的部分外导体剥掉,可实现调节阻抗匹配的功能,此馈电结构形式简单,便于批量生产。天线样机实测结果表明,两种双极化天线单元均具有良好的阻抗和辐射特性,可很好的满足实际应用需求。2.对紧凑型双频双极化基站天线辐射单元进行研究。提出了内外嵌套形式的双频双极化天线辐射单元,高频单元嵌套于低频单元内部,同时在低频单元外引入方形寄生围框用以调试高频天线的波束宽度和增益。在上述研究的基础上,构建了一款低频5单元、高频10单元的双频双极化电调阵列天线,双频阵列天线阵面由嵌套式双频天线单元和放置于低频天线单元之间的高频天线共同构成。采用弯折形偶极子设计方式的低频辐射单元具有较小的尺寸,减少了对放置于其间的高频天线的遮挡效应,同时减小了阵列天线的阵元间距。基于放置于低频单元内的高频天线和放置于低频单元之间的高频天线在玻璃钢外罩内呈现出的具有互补性的波束宽度特性,双频阵列天线实现了在高频段的水平波束合成。天线样机的测试结果表明,该双频电调阵列天线具有良好的阻抗及辐射性能,可满足多系统、多制式组网需求。3.对一种新型的针对复杂基站电调天线的垂直面方向图波束赋形设计方法进行了研究。首先,采用电磁仿真软件与遗传算法相结合的方式,优化阵列天线的垂直面方向图;然后,通过实测的基站天线馈电网络移相过程中的幅相数据,建立起三个典型下倾角方向图的相位关系;最后,引入方向图内在联系的赋形算法实现了多倾角方向图联合仿真优化。该优化方法可应用于复杂基站电调天线的方向图优化设计中,以解决综合优化全下倾角内方向图波束的下倾角精度、波束赋形增益损失、全局上副瓣抑制以及下零点填充问题。以双频双极化阵列天线为应用算例,通过实现其高频段垂直面波束的大电下倾角度,来验证该设计方法的正确性。实际制作了天线原理样机,测量结果验证了设计过程的正确性和有效性。4.对Massive MIMO双极化平面阵列天线进行研究。采用一体化成型的系统天线单元和模块化子阵相结合的设计思路,设计了具有64个通道的Massive MIMO双极化平面阵列天线。同极化的天线阵列包含32个射频通道,为阵列天线的波束合成提供了 32个幅相自由度。基于电磁仿真软件和遗传算法,对大规模有源天线阵列的广播波束赋形进行了分析研究,并取得了其水平波束宽度与其他设计指标的折中关系,为第五代通信系统有源天线阵列的指标制定提供了参考意义。