新兴应用和产业对新一代移动通信系统提出了新的挑战,通信系统将具备更高的通信速率、更宽的信号处理带宽、更广的接入频段、更低的能源消耗、更高效的频谱利用率等特性已是随着通信技术发展的必然趋势。面对目前低频频谱资源日益紧张的现状,如何整合并充分利用现有通信频段,进一步优化OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、MIMO (Multiple Input Multiple Output)等相关技术来提高信道容量和频谱利用率将是新一代移动通信系统中的重要研究内容。同时,鉴于毫米波通信技术的固有优势,毫米波技术在新一代移动通信系统中的推广应用可以极大的提高无线通信速率。可见,如何设计小型实用的多频、宽带天线以及MIMO天线和阵列系统将是新一代移动通信系统设计中的关键研究内容。多模谐振器可以基于单一谐振体实现多个谐振模式,在尺寸较小的条件下设计工作频段更多、带宽更宽、性能更高的器件,因此具有很大优势。本论文从平面滤波器和平面天线设计两个角度出发,研究了多模谐振器理论,总结并探讨了平面多模谐振器的形成机理和应用场景,并以多模谐振器为核心思想,深入研究了将多模谐振器用于小型化、多频、宽带天线和MIMO天线设计及可重构设计的新方法。本论文首先基于多模宽带带通滤波器(Bandpass Filter,BPF)设计,研究了多模谐振器在宽带器件设计及带宽调节中的优势;然后,通过有效利用多模谐振器的多个谐振模式设计了多频天线和滤波器,并实现了天线的可重构设计;最后,基于多模谐振器设计了三种多模MIMO天线:基于空间分集的缝隙MIMO天线、多模宽带双极化缝隙天线、60 GHz高增益波束可切换天线阵列。论文各部分主要研究点及创新性概括如下:(1)在多模宽带滤波器设计方面,本论文首先提出了一种新型双模缺陷地式谐振器,基于该双模缺陷地式谐振器设计了具有高选择性、高带外抑制度的宽带双模BPF,并精确提取出该BPF的等效电路模型。然后通过容性耦合的方式连接两个双模缺陷地式谐振器,本论文进一步提出了学术界首个四模缺陷地式谐振器,并基于双对称轴奇偶模原理、等效电路模型、电流和电场分布特性,深入解析了该四模缺陷地式谐振器的工作机理,最后设计了一款结构简单并具有极高选择性和很高阻带抑制度的四模BPF。(2)在多频天线及滤波器设计方面,本论文首先充分利用本文提出的双模缺陷地式谐振器的高阶谐振模式,实现了一款利用共面波导馈线激励的双频缝隙天线,而且创新地通过结合电场分布特性和非均匀传输线谐振器谐振理论,有效判定了其高阶谐振模式的阶次,并最终基于广义互补型缝隙多模谐振原理实现了天线的可重构设计;其次,本论文利用文中四模缺陷地式谐振器,通过采用源-载耦合激励,又获得了多个额外传输零点,实现了一个三通带滤波结构,并设计了一款具有六个传输零点的高选择性三通带BPF;最后,通过组合短路加载多模谐振器和一对具有混合耦合的缺陷地式谐振器的方法,本论文设计了一款具有宽频阻带和高选择性的三通带BPF。(3)在多模MIMO天线设计方面,本论文首先基于已设计的双频缝隙天线,重点研究了在天线单元空间分集条件下,运用中和线增加缝隙天线单元间隔离度并减小天线尺寸的方法。该研究首次利用中和线连接缝隙MIMO天线中两个天线单元的辐射体,从而在相应频率形成了一个传输零点,提高了天线端口间隔离度,最后还实现了中和线的可重构设计。其次,本论文利用缝隙谐振器边缘激励方法,设计了新型阶梯缝隙谐振器,首次实现了具有三个谐振模式的宽带缝隙天线;该设计然后基于缝隙腔体内的正交电场分布特性,提出了一个新型斧型单极子天线,进而实现了宽带双极化天线设计。由于该单极子与地之间形成耦合电容的区域主要集中在其尖端部分,该设计通过集总电容实现了双模单极子天线的高频谐振模式的可重构设计。最后,本论文利用基片集成波导传输线,并基于4×4 Butler矩阵馈电网络,设计了一个具有4个可切换波束的高增益60 GHz波束可切换天线阵列。通过调节缝隙激励腔体和辐射贴片的横纵比来有效调谐各个谐振模式,该设计实现了较宽工作频段。