时间调制阵列天线是一种基于时间调制技术的新型阵列天线,通过周期性的射频开关引入时间作为自由度,部分或全部取代传统阵列天线的幅值和相位激励。时间调制阵列天线具有波束控制灵活、易实现多波束和超低旁瓣方向图等优势,被广泛应用于雷达探测、气象水文、无线通信等领域。另外,稀疏阵列仅以较少的阵元数量即可在相同的阵列孔径下获得与均匀阵列天线相同的辐射性能,简化阵列结构,降低阵列成本。本文结合时间调制技术和稀疏阵列,通过对正交微扰算法、粒子群优化算法和凸优化算法的分析和联合运用,开展时间调制稀疏阵列的优化布阵、波束赋形、边带抑制、方向调制、多波束及和差波束方向图综合的研究。本文的研究内容和创新点如下:1)提出了一种基于正交微扰和凸优化算法的时间调制稀疏阵列的波束赋形算法,实现了最少阵元下的赋形波束方向图。该算法以最小化阵元数量为优化目标,在任意主瓣形状和旁瓣电平约束条件下,通过优化阵元的开关开启时长和开启时刻,实现主瓣波束赋形的时间调制稀疏阵列天线的方向图综合。另外,在满足主瓣波束响应的条件下,实现旁瓣赋形并优化第一零陷的方向图综合。线阵和面阵的仿真结果表明,以更少的阵元数量构成与均匀布局的阵列相同的阵列孔径,该算法能够实现主、旁瓣的期望赋形波束方向图,并提高方向图的辐射性能。2)提出了一种基于粒子群优化算法和凸优化算法的混合算法（Particle Swarm Optimization and Convex Optimization,PSO-CVX）,提高了中心频带方向图综合效果的同时,有效抑制了边带电平。推导了非同频调制方法的解析公式,结合时间调制开关脉冲赋形调制方式,实现独立于中心频带性能的边带抑制。而且在有激励幅值约束的条件下,通过调整梯形脉冲的斜坡长度,使得边带电平和功率损失达到平衡。线阵和面阵的实验结果表明,该混合算法能够有效抑制边带,而且梯形脉冲开关函数能够给出边带电平和阵列天线功率的变化关系。3)建立了时间调制稀疏阵列的方向调制信号方向图的数学模型,基于窄主瓣和低旁瓣的优化目标,提出了分步迭代的凸优化算法（Stepwise Iterative Convex Optimization,SI-CVX）,实现了方向调制信号方向图综合,而且在时间调制周期内的每一时刻,工作阵元数量不变。根据该时序特点,设计了单刀双掷开关的两级组合控制方法实现射频开关对信号功率的零损耗。仿真结果表明,SI-CVX算法在方向调制信号方向图综合方面的正确性、高效性、稳定性。另外,本文还以正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying,QPSK）信号综合为例进行仿真,仿真结果在目标方向上得到正确的信号星座图,在非期望方向上得到扭曲变形的星座图,进一步验证了算法的有效性,保证了信号传输的安全性。4)提出了一种基于时间调制脉冲时延及反相的多波束综合策略,并利用单边带调制原理,消除部分边带的信号辐射。针对不同边带辐射强度差异过大以及抑制无用边带的问题,通过辐射波束的等效孔径原理和粒子群优化算法实现等辐射强度多波束方向图的求解。仿真对比结果表明,结合开关时序的优化和PSO算法能够有效实现等辐射强度的多波束方向图和消除无用边带。5)提出时序左右反相、时序间隔反相和改进的开关时序用于和差波束综合,同时,通过粒子群和凸优化结合的混合算法引入位置变量提高方向图辐射性能。以更窄的和、差波束,抑制旁瓣和边带为综合目标,分析了阵元间距、射频开关开启时刻、开启时长、阵元的相位关系对波束宽度、旁瓣及边带的影响。仿真结果表明,该算法和阵列结构能够有效实现和差波束方向图并大幅提高其辐射性能。