随着现代军事科技及信息技术的快速发展,空中打击力量逐步成为现代军事的主导力量,包括隐身战斗机在内的军用飞行器成为制胜战场的关键。作为飞行器多功能综合电子系统不可或缺的一部分,机载天线设计特别是机载低频天线和低散射天线设计仍然面临许多挑战。本文面向实际工程需求,着重研究了基于特征模理论的机载低频天线及低散射天线。论文主要包含两个部分的内容,第一部分为基于特征模理论的机载低频天线设计,它涵盖了机载低频多天线系统设计及机载低频波束扫描天线阵设计,第二部分为基于特征模理论的低散射天线设计。本文的主要工作及成果可以概括如下:1.概述了金属体及分层介质中金属结构的特征模理论,并以双极化槽天线设计为例,阐述了基于特征模理论的天线设计方法及其优势。在该方法中,基于孔缝问题的特征模理论研究了带宽增强型双极化槽天线的系统化设计流程。在槽天线设计之初无需考虑馈电结构的形式及位置,基于模式分析直接优化槽本身的形状及大小,实现天线性能的提升,具有方法系统化、物理机理清晰的优点,可以灵活应用于包括机载平台在内的各种导体平台的槽天线设计。2.提出了一种基于特征模理论的机载低频多天线系统设计方法。通过研究整个HF频段上机载平台的特征模式,在三个频带上综合了三种类型的辐射方向图,分别是中心频率为8 MHz的侧射方向图、中心频率为18 MHz的水平全向方向图、中心频率为28 MHz的向下辐射方向图。辐射方向图通过主要模式的线性加权实现,并利用多目标差分进化算法优化各个频带上模式的复数加权系数。基于综合得到的组合模式电流分布,设计了三对模式激励结构并将其嵌入式安装于机载平台的最佳位置。此外,为每个激励结构设计了合适的LC匹配网络,从而在各个频带上获得良好的阻抗匹配性能。考虑到机载平台物理尺寸较大,实际加工并实验验证了机载多天线系统的缩比模型。实验结果表明,本文提出的机载多天线系统的阻抗带宽和可实现增益远优于传统的HF机载天线。3.提出了一种基于特征模理论的机载低频波束扫描天线阵设计方法。基于科研项目需求,研究了VHF频段特定频点的机载平台特征模式特性,包括模式显著性、模式电流、模式电场。对有用的模式信息进行了深入研究,验证了使用机载平台特征模式设计VHF频段天线阵列的可行性。然后,基于显著特征模式实现了水平极化扫描波束综合,在方向图综合中考虑到了波束扫描能力和极化特性,比基于特征模的固定波束功率方向图综合更具挑战性。该方向图综合基于多目标优化算法,并在不同扫描角度的综合电流分布之间进行权衡,以确定用于天线阵列设计的最佳电流激励位置。同时,提出了一种可嵌入式安装于机载平台的新型带宽增强的三耦合线激励结构,实现天线与机载平台的完全共形。加工并实验验证了机载低频波束扫描天线阵缩比模型,实验结果表明,该机载天线阵具有低交叉极化、高增益、及波束扫描特性,相比传统机载低频天线具有显著辐射性能优势。4.提出了一种基于特征模理论的天线带内散射缩减方法。以U型槽微带天线为例,通过特征模分析可视化U型槽微带天线辐射贴片的谐振特性,并将主要模式区分为辐射模式和散射模式。基于两类模式的电流分布,确定用于散射调控的最佳阻抗加载位置。负载阻抗值可以直接基于所提出的方法计算得到,用以实现模式项散射和残余项散射的完全对消。加工并实验验证了参考天线和低散射天线辐射和散射性能。实验结果表明,所提出的方法可实现最大26 dB的带内散射缩减。