大型非均匀相控阵天线利用其阵元位置的可变性,在指定辐射方向上形成不同的空间相位,然后基于反相相消原理实现远场方向图的低栅瓣特性,在军事、天文探测、远距离通信等领域具有十分重要的应用。与采用唯相综合方法实现栅瓣抑制不同,在不考虑耦合因素的前提下,非均匀阵列布局对于主瓣增益几乎没有影响,而相位综合则需要牺牲一定的主瓣增益才能有效降低栅瓣电平。与幅度综合方法相比,非均匀阵列可以实现所有阵元满功率馈电,而幅度综合则不得不根据综合的结果对不同阵元馈入不同幅度的激励,导致大多数阵元的辐射能力没有充分利用。非均匀布局阵列在满馈条件下仍可实现方向图的低栅瓣特性,因此具有十分重要的应用价值。然而,当阵列天线的规模足够大时,非均匀阵列的研究难以直接基于全波方法展开,在中小规模阵列中常用的群体性优化算法也由于阵列规模过大而降低了适用性。为此,本文主要针对大型非均匀相控阵列在远场方向图快速计算方法和方向图栅瓣抑制方面展开研究,旨在为具有“非均匀”和“大规模”特点的相控阵建立一套栅瓣抑制优化的可行方案,既能快速计算远场方向图,又能够有效处理大规模变量。首先,本论文对田口(Taguchi)优化算法展开了更进一步的研究。田口算法是一个全局寻优能力较强的优化算法,这与部分群体性算法结果严重依赖于初始种群的选定是不同的。基于对常规田口算法的研究,提出了对各个变量的平均信噪比因素进行插值拟合,依据拟合结果预测每一代迭代步中可能的最优解。将预测解的实验结果与常规田口算法得到筛选解的实验结果进行比较,择优选定最优解。多种测试函数被应用于验证基于拟合预测方法的田口算法的优化效率,结果表明该方法的收敛效果优于常规的田口算法。另外,将改进的田口算法分别应用在具有目标方向零陷的线阵方向图综合问题和具有平坦主波束的线阵方向图综合问题中,最终的对比结果进一步证明了利用拟合预测方法提高常规田口优化算法收敛速率的有效性。得益于充分利用正交矩阵的构造特性,田口算法可以对全解空间实施尽可能地均匀的寻优操作。理论上田口算法可以应用于大规模阵列的全局优化问题,但需要构造很大规模的正交矩阵,并且其试验次数也将大幅度增加。因此,对于大型非均匀相控阵列的栅瓣抑制优化,仍然需要解决如何实现远场方向图快速计算的问题。论文的第三部分内容对大型非均匀阵列远场方向图的快速计算方法进行了研究。考虑到无法直接使用均匀傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)算法,所以在非均匀的大型阵列远场方向图计算中引入卷积型的非均匀傅里叶变换(Non-uniform Fast Fourier Transform,Nu FFT)算法,充分利用了空间域和角谱域之间的傅里叶变换关系,将非均匀阵列方向图叠加的问题转换成在空间域的简单函数卷积问题,并相应地在角谱域中采取简单的除法运算消除空间域的卷积效果,实现大型非均匀相控阵列远场方向图的快速计算。以场叠加方法结果作为参照,对比验证了两者的计算精度和计算效率。不同的卷积函数及其系数对计算精度的影响在文中也均有讨论。最后基于该算法快速计算了以矩形栅格为基础的非均匀阵列、大规模的环形栅格阵列以及多层嵌套型的大规模阵列三种布局方式的远场方向图。此外,还利用有源子阵方向图方法对一类特定布局形式阵列的耦合因素加以考虑。然后,本文提出了基于梯度-Sigmoid函数的栅瓣抑制优化算法,适用于大型非均匀相控阵天线,可以避免采用田口算法需要过多实验次数的问题。在栅瓣抑制优化问题中,梯度-Sigmoid算法在阵列远场方向图位置梯度计算的基础上,建立起了各阵元位置与远场方向图之间的关系,并通过引入Sigmoid函数,提出基于动态幅度系数的调节方案,对栅瓣抑制问题的收敛过程进行调整和优化,使梯度-Sigmoid栅瓣抑制算法既能保持优化前期的快速收敛,又可以在优化后期得到相对更优的收敛结果。通过对16×16的小规模非均匀子阵、100×100的大规模非均匀阵列以及100×100的非均匀嵌套型阵列三种情况进行栅瓣抑制优化,结果验证了梯度-Sigmoid算法对栅瓣抑制优化的有效性。在梯度-Sigmoid算法的研究基础上,将其应用到非均匀宽角扫描阵列的布局设计中。宽角扫描阵列的单元一般具有宽波束特性,本文利用双层小矩形贴片和介质层实现了高折射率的人工介质层结构,成功展宽了阵列单元的半功率波束宽度,提高了该天线单元在宽角扫描应用中的潜力。通过采用论文第四部分所提出的梯度-Sigmoid算法优化得到一款16×16规模非均匀布局的低栅瓣宽扫描角度的阵列。在经过全波模拟后,结果表明,该阵列在xoz面能够实现波束扫描最大约60°时能够满足栅瓣(旁瓣)电平低于-20d B的抑制效果,同时在yoz面则能够实现约50°的扫描角度。这一结果也证明了梯度-Sigmoid算法可以成功应用于宽角扫描阵列的布局设计。