科技化时代加速了我国城市化发展进程,许多城区内都涌现出密集的高层建筑,现有的移动通信技术不能对这些高层楼宇密集区域进行高质量连续覆盖。为了进一步推动城市立体化发展,亟需研究三维空间覆盖技术,以实现高楼密集区域信号的立体覆盖。同时,第五代移动通信技术(5th-Generation,5G)正在飞速发展,各种新技术在5G通信系统中得到应用,使5G通信具有更高的数据传输速率、更大的网络容量以及更小的时延。其中,3D MIMO(Multiple Input Multiple Output,MIMO)波束赋形技术已经成为5G通信中最具革命性的技术之一。为了解决高层楼宇覆盖不均、存在信号盲区的问题,本文利用波束赋形技术,结合5G通信对天线的要求,对应用于5G通信系统的楼宇覆盖波束赋形微带双极化天线阵进行了研究,并取得以下成果:(1)针对城区内密集高层楼宇的覆盖,提出以楼体为单位的“三维空间立体覆盖”方案,考虑将一个楼体看成一个小区,因此又称为楼体小区。根据楼体高度和宽度决定楼体小区的覆盖范围,楼体高度决定垂直面波束赋形的范围,楼体宽度决定水平面波束赋形的范围,分别研究其波束赋形方法。对于垂直面波束赋形,提出采用正割平方赋形波束进行覆盖的方案,应用遗传算法对天线阵列各阵元的幅度和相位进行研究。经过一系列计算、优化,最终采用八元天线阵来实现本文提出的正割平方赋形波束,得到了实现期望方向性图的天线阵列单元的激励分布。在此基础上,基于MATLAB中的GUI功能开发了正割平方波束赋形天线阵综合软件,该软件的开发也为正割平方波束赋形天线阵的推广与应用提供了便捷的工具。对于水平面波束赋形,分别通过加载凹型金属挡板和平顶赋形波束两种方案,实现各单元用户收到的信号强度基本相同的目标。(2)设计了一种同轴探针双馈的双层贴片水平/垂直双极化天线单元和一款一分八的不等分功分馈电网络,馈电网络各输出端口信号的幅度和相位符合波束赋形天线阵的要求。在此基础上,将八个单元天线和馈电网络组合在一起构成八元直线阵,并在天线阵下方加载凹型金属挡板,最终设计出一款工作在5G频段应用于楼宇覆盖的新型双极化微带天线阵,并对馈电网络和天线阵系统进行了实物加工和测试,结果表明,该天线阵工作频带为3.4-3.6GHz,带内输入端口反射系数小于-14dB,两种极化间的隔离度大于30dB,俯仰面辐射在0～40°范围内近似为正割分布,增益在-6dBi到9dBi,在小于-5°和大于65°的范围内增益小于-10dBi;水平面辐射在±30°范围内增益波动幅度在3.8dBi以内,在小于-45°和大于45°的范围内增益不大于0dBi,基本实现了使整栋楼的用户基本都能收到近似相等的信号、而其他方向辐射很小、使能量有效辐射的目标。(3)设计了一款缝隙耦合馈电的方形±45°双极化微带天线单元,研究了阵列天线的水平面、俯仰面及3D波束赋形方法。在此基础上,分别设计了 8元水平面平顶赋形波束线阵、8元俯仰面正割平方赋形波束线阵及8×8 3D赋形波束面阵。结果表明,本文提出并设计的工作在5G频段应用于楼宇覆盖的8×8 3D双极化微带天线阵,其俯仰面辐射在0～40°范围内近似为正割分布,增益在-3dBi到14dBi,在小于-4°和大于65°的范围内增益小于-10dBi;水平面辐射在±30°范围内增益波动幅度在2.5dBi以内,在小于-45°和大于45°的范围内增益小于-10dBi,很好地实现了使整栋楼的用户基本都能收到近似相等的信号、而其他方向辐射很小、使能量有效辐射的目标。