当前,4G(第四代移动通信系统)已大规模商用,5G的研究也正在如火如荼地开展。移动通信用户数和业务量的日益增长与基站站址资源紧张的矛盾,始终贯穿于移动通信系统长期演进的整个过程。当今的2G、3G、4G系统长期并存使用,如何在现有网络中让天线发挥更好的作用至关重要。其中,多波束天线在缓解站址资源和提高系统容量方面极具优势,具有很好的应用前景和研究意义。基于上述背景,本文从实际出发,在移动通信领域展开了对多波束基站天线的应用研究与设计。首先,本文对多波束天线技术的研究进展作出概述,对比分析了实现天线多波束的各种关键技术。在此基础上,优选出Butler矩阵多波束形成网络作为本文设计多波束天线的主要技术;随后,结合目前移动通信业务的实际需求,拟定本文的研究设计主体为五波束基站天线,并对其基本原理作了归纳分析,为下一步的研究设计提供了理论基础。接着,本文对工作频段为1710MHz-2170MHz(适用于在网主流应用的2G、3G频段)的五波束基站天线进行了研究设计。内容包括:1)研究分析五波束基站天线阵列的组阵形式:通过理论计算和仿真对比确定了水平面和垂直面的组阵参数,由此组成一个6x10规模的天线阵列,并进一步优化了组阵形式,获得了更好的辐射性能;2)依据天线的组阵形式,提出了一种可实现天线水平面波束赋形的5x10 Butler矩阵设计方法。5x10 Butler矩阵可由一个5x6Butler矩阵和两个相同的3x5Butler矩阵级联而成。在设计方案中,创新性地设计了两种具有不同拓扑结构的正交3x3 Butler矩阵:定向耦合器形式3x3 Butler矩阵和混合网络形式3x3 Butler矩阵;3)优选创新形式的定向耦合器3x3Butler矩阵,将其拓展成3x5 Butler矩阵后,配套设计出一种5x6 Butler矩阵。前述两种矩阵组合成的5x10 Butler矩阵网络可使天线在水平面同时辐射出五个按需指向的子波束;4)为实现五波束基站天线的垂直面波束赋形,设计了一种一分六功分网络,使天线的垂直面方向图实现了预置的下倾角,同时保持较低的副瓣水平。最后,在上述5x6 Butler矩阵、3x5 Butler矩阵、一分六功分网络和天线阵列的基础上制作了天线,样机的实测指标与仿真结果吻合,达到了设计要求并满足实际应用。