阵列天线具有提升系统增益及灵活的波束控制能力,广泛应用于各种无线电子系统之中。现代无线电子系统发展日新月异,面临的电磁环境日趋复杂,系统对天线阵的性能提出了越来越苛刻的要求。特别是对于机载、舰载等平台上的阵列天线,为了能够实现低副瓣、高增益、全向探测视场和多功能一体化等应用需求,阵列天线需要朝着大型化方向发展,这对平台上阵列天线的设计提出了巨大的挑战。而传统阵列天线的拓扑结构几乎都是平面形式,且均通过幅相控制实现对辐射能量的调控。因而在载体平台有限的可布阵空间上直接安装大型平面阵列天线是不现实的。同时,基于传统的T/R组件构成的馈电网络不仅成本高昂、结构复杂,而且提供的设计自由度不足以解决一些复杂的阵列辐射问题。因此,必须从阵列天线辐射的物理本质出发,拓展其辐射口径、增加其设计自由度,探索新型阵列天线的可能形式。异构天线阵在阵列拓扑结构上,单元是依照载体平台的外形而定,在载体平台预留的可布阵空间进行三维布阵,能够形成尽可能大的有效辐射口径和全向探测视角。四维天线阵通过额外引入时间这一维自由度,能够提高阵列辐射控制能力、简化或者转移馈电网络的设计难度。因此,异构四维天线阵这一新型阵列天线将十分有助于解决现代无线电子系统对平台上阵列天线提出的技术新挑战。本文以异构天线阵和四维天线阵为研究对象,重点对四维天线阵特别是大型异构四维天线阵的高效分析与综合方法开展了深入研究,并结合系统应用初步探讨了基于四维天线阵的空间谱估计。论文的主要研究内容及创新成果概述如下:1.在考虑阵列真实的工作环境下,首次从时域和频域两个方面深入剖析了任意调制时序、任意拓扑结构的四维天线阵的辐射机理。论文介绍了四维天线阵的基本物理架构;系统总结并归纳了四维天线阵之功率方向图、有源反射系数、输入功率、反射功率和辐射功率在时域和频域的统一性方程;理清了四维天线阵与对应静态阵主要物理量之间的关系;提出了互耦条件下基于DE-AEP-ARC的四维天线阵新型综合方法。最后,通过数值仿真和实物测试两个方面验证了四维天线阵的辐射机理和新型综合方法的有效性。2.提出了基于部分凸性的大型异构四维天线阵高效综合算法。深入研究了异构天线阵的辐射机理,结合坐标旋转变换推导了计算异构四维天线阵远场方向图的一般表达式。通过对优化问题凸性的分析,提出了两种基于部分凸性的四维天线阵高效综合算法(混合优化算法和联合优化算法)。前者特别适合小型四维天线阵综合,后者特别适合大型四维天线阵综合。最后,通过数值仿真和对比性研究,论证了综合算法的高效性,以及采用异构方式带来的方向性系数改善的优势。3.国际上率先提出了基于全凸特性的大型异构四维天线阵的高效综合算法。为了避免使用全局优化算法,进一步提高优化效率、改善优化结果,在充分分析优化问题的凸性基础上,分别提出了基于凸优化算法和迭代凸优化算法的大型异构四维天线阵的高效综合算法。前者牺牲部分可行域大小换取更快的优化速度,特别适合于大型四维天线阵的快速优化;后者兼容多种时间调制方式,适用于任意阵列拓扑结构,可抑制任意数量的边带辐射,可实现对极化方向图的控制,特别适合于中等或大型四维天线阵的高效综合。最后,通过数值仿真和横向对比验证了两种算法的有效性。4.提出了基于有源单元方向图和有源反射系数综合异构四维天线阵的迭代凸优化算法。该算法不仅具有上述第三点的优势,还考虑了单元及载体之间的互耦以及天线端口的匹配,特别适用于小型或互耦效应较强的四维天线阵综合。最后,通过数值仿真和实物测试论证了优化算法的有效性,以及采用异构方式带来的改善增益的优势。5.提出了基于迭代傅里叶变换的大型非均匀四维天线阵快速综合算法。为了进一步加快综合算法的优化速度,满足工程应用中对方向图优化的实时性需求,结合指数函数插值的思想,提出了基于迭代傅里叶变换的大型非均匀四维天线阵快速综合算法。数值仿真表明,该算法的优化结果满足设计要求,且优化速度远好于现有文献中的优化算法。为了把该算法推广至异构四维天线阵,还深入研究了如何使用三维快速傅里叶变换计算异构四维天线阵的辐射方向图。6.提出了基于优化时序和稀疏信号恢复的四维天线阵空间谱估计方法。详细推导了基于四维天线阵空间谱估计的稀疏信号模型,通过引入互相关性和噪声协方差矩阵定量分析了不同调制时序对四维天线阵空间谱估计的影响,据此提出了基于优化时序和稀疏信号恢复的四维天线阵空间谱估计方法。优化表明,单向相位中心移动(UPCM)时序特别适合于四维天线阵空间谱估计。最后,通过不同应用场景下对空间谱、成功分辨概率及估计精度的数值仿真、横向比较及实物测试,说明了估计方法的有效性。