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无线通信的迅速发展方便了信息传递和交换,伴随着应用领域和市场潜力的不断增加,无线通信也面向高容量、高速率和高质量的方向前进,这必然对无线通信技术提出更多的需求和更高的标准。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)作为现代以及未来移动通信关键技术之一,已经充分体现其提高信道容量和频谱利用率的巨大优势。MIMO系统的性能主要依赖于无线衰落信道和收发阵列天线,无线信道的特征对信号传播有着很大的影响,而紧凑型阵列天线的空间相关性以及互耦效应同样影响信号的发射和接收。因此本文围绕基于几何建模的无线信道特性分析及MIMO阵列天线系统性能研究这一主题,深入分析无线信道建模、空间相关性以及信道容量等内容,为评估MIMO系统性能奠定坚实的理论基础。本文研究工作主要包含以下四个方面：首先基于室外通信环境下的空心圆几何统计信道模型,提出了一种改进的适应于室内通信环境的空心圆模型。通过推导接收信号的空时联合分布以及边缘分布概率密度函数,分析和比较了两种空心圆几何信道模型的空时统计特性。根据空心圆的空心率以及收发机间距的信道参数变化,仿真结果阐明了空心圆模型在圆盘模型和圆环模型之间过渡的变化机理,以及不同无线通信环境下的信道信息。其次建立在一种定向天线系统下的二维空间圆盘几何统计信道模型,导出上行和下行无线信道链路的空间统计特性。并以均匀圆形阵列天线为例,分析上行链路到达信号角度功率谱对基站阵列天线单元相关性的影响。随后根据修正的Clarke经典模型,研究了移动台的多普勒效应,并分析了不同空间参数对移动台多普勒频谱、电平交叉率、平均衰落时段以及时间相关性等信道参数的影响。仿真结果显示移动台安置定向天线能有效减小基站各个天线阵元之间的相关性,但使用全向天线更有利于入射信号波束集中；而基站安置定向天线对移动台多普勒频移有着较好的抑制作用。移动台的多普勒频移较高时可降低信号多径分量时间自相关,但小尺度快衰落现象也更加严重。然后引入电磁矢量传感器为新型阵列天线单元,将电磁矢量传感器信号处理与传统MIMO信号处理有机地结合,建立了基于电磁矢量传感器的多天线三维信道模型。采用多重信号分类算法对MIMO的达波信号进行空间谱估计,导出基于电磁矢量传感器的三维空间信道解析式,阐明了电磁矢量传感器信号处理与MIMO多径信道相关性的关系。与传统标量传感器阵列相比较,电磁矢量传感器阵列具有能获取达波信号的多维极化信息,同时具有空间域和极化信号处理能力。因此可缓解空间多径信道相关性,使空间极化分量的相关性趋于零值,而且使MIMO系统性能受空间结构的影响较小。理论分析和仿真结果表明在提高MIMO多天线系统性能上,基于电磁矢量传感器阵列的MIMO系统比标量传感器阵列MIMO系统具有更高的优越性。最后根据MIMO系统的三维空间域信道模型,以及互耦效应下的阵列天线等效电路模型,阐明了耦合系数的物理意义,推导了阵元空间衰落相关性的解析表达式,并对MIMO系统容量以及差错率性能进行分析和评估。接收端阵列天线采用不同的几何拓扑结构时,由于互耦效应的存在,入射信号的波达角和角度扩展对MIMO系统容量以及差错率影响也有着明显的不同。总体来说,互耦效应在某种程度上提升了MIMO系统性能。