作为实现移动通信网络覆盖的核心设备，基站天线是移动通信系统的重要组成部分。随着3G/4G的快速发展，移动通信网络对基站天线的性能提出了更高的要求。基站天线正朝着宽带化、多频带、小型化的趋势发展。而具有体积小、重量轻、易于加工和集成特点的微带天线和印刷偶极子天线则成为了基站天线设计的首选。但是，这类天线往往具有窄带特性。在传统的设计方法下，物理尺寸的减小必将大大降低天线性能。因此，研制具有宽频带、小尺寸、低剖面的基站天线成为了当前的主要课题。本文的主要工作是针对LTE宽带微基站、3G频段双频双极化微基站和基于IMT-Advanced系统的宽带宽波束宏基站这三种应用需求，提出各自的小型化设计方案，并进行了相关的实验验证。本文的主要内容包括以下几个部分：首先，本文介绍了基站天线的发展现状和宽带基站天线小型化的研究意义，并给出了三种应用需求的天线性能指标参数。其次，本文简要介绍了基站天线的基本理论，介绍了波束下倾、波束赋形的基本概念，以及基站阵列天线中的互耦抑制手段。第三，针对LTE宽带微基站的需求，设计了一种低剖面、小尺寸的宽带双极化微带天线单元，并进一步优化设计出了一个2×4微带平面阵。针对面阵中馈电网络的电磁屏蔽措施和阵元间抑制互耦手段进行了详细阐述。实物加工测试评估了天线的性能，且实验结果表明该天线完全可以用于LTE微基站天线。第四，针对3G频段双频双极化微基站设计了一种低剖面、小尺寸的2×2微带天线阵列，通过仿真验证了该设计方案的可行性。最后，针对IMT-Advanced系统对宏基站天线的需求，提出了一种宽带宽波束双极化印刷偶极子设计方案，该天线单元具备能够与馈电网络高度集成的特点。采用该偶极子单元设计并加工出了一个小型化的4×10平面阵。为实现波束下倾和副瓣抑制，设计和优化了一个适用于该阵列的宽带不等分功分网络。实验结果表明该天线阵具有良好的性能指标。