随着移动互联网时代的到来,移动通信业务蓬勃发展使得移动设备数据流量和话务量快速增长,对下一代移动通信系统提出了更高的系统需求。2017年11月15日,中国工业与信息化部率先正式发布5G的中频段标准(3.3-3.6GHz;4.8-5GHz)(《关于第五代移动通信实用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段相关事宜的通知》),从而增加了5G通信的中频段频谱资源。一方面由于5G通信标准的定制,在2G/3G/LTE的基础上对频带进行了进一步的扩宽,移动终端系统对宽频带、多频带和高增益等性能要求更高。另一方面,天线作为通信系统的关键部件,严重制约通信系统的需求。迄今为止,单个天线单元已不能满足5G通信系统要求,天线趋向于阵列以及多输入多输出(MIMO)通信系统的发展。阵列天线和MIMO天线系统由于天线单元过多,使得占用的体积过大,而目前的各类系统种类繁多,需要高度集成化,给天线的空间减少,使得天线设计的小型化凸显重要。本文根据以上需求,分别设计了三种天线,如下所示:首先,针对天线对于多频带以及天线小型化的需求,设计了一款基于超表面的多层板宽频天线。传统的微带天线具有低剖面的特性,但同时带有窄频带,低增益的缺陷。该款天线设计在微带表面蚀刻有蝴蝶型的狭缝结构,使得天线产生多个谐振点,覆盖带宽从1.63-3.68GHz,相对带宽达到77.2%,实现了宽频带的性能,并且在辐射结构的下层,加入了周期性的超表面的结构,使得微带天线原本较低的增益得到了一定程度上的提升,平均增益在5.1dBi。此外,该款天线高度只有0.11个波长,因而该款天线是一款符合第五代移动通信系统的低剖面、宽带宽要求。其次,针对5G天线兼具小型化、多频带、高增益、高隔离度的需求,提出了一种双频双极化多层板微带天线。该天线通过大小不同的双层辐射片结构,实现了天线的多频带的性能,覆盖了3.3-3.7GHz,4.75-5GHz频段,完全覆盖5G移动通信系统的中频段,单个单元天线隔离度达到40dB,远超传统基站天线28dB的需求。此外,在工作频段范围内,增益大于8dBi,高于传统微带天线的标准,且天线尺寸只有0.48λ×0.48λ×0.085λ,实现了天线的小型化。最后,利用该单元设计了一款1×4的天线阵列,该阵列的增益高达14dBi。因此,该款天线是一款高性能的5G天线。最后,针对天线小型化以及5G通信宽频带的需求,设计了一款基于特异性材料的低剖面的双极化电磁偶极子天线,覆盖1.68-3.72GHz频段,相对带宽达到了75.6%,实现了宽频带的性能,并在2.38-2.55GHz处实现一个频段陷波,有效的滤除不必要的频段,实现了天线的抗干扰性能,并且在天线磁偶极子内侧加有具有周期性结构的超材料,使得天线的高度从原本的四分之一个波长降低至0.17个波长,解决了传统电磁偶极子天线体积较大的问题,有效的实现了天线的小型化,并且丝毫不影响天线原本宽频带,高增益的性能。在单元的基础上,设计了一款序列馈电网络,分别给予每个单元0,90,180,270度的相位差,使得2×2的天线阵列实现了一个阵列的多重圆极化。因此,该款天线是一款能够应用于下一代移动通信系统的小型化、宽带宽、高增益的天线。本文研究超材料、超表面、微带天线以及电磁偶极子天线的相关理论,针对5G移动通信系统的需求,分别设计了三款基于特异性材料或超表面的低剖面、小型化、宽频带或多频带的天线。这些天线相对于传统的天线都具有不同方面的性能提升,具有十分重要的应用前景以及学术价值,推动5G通信的发展。