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时间调制阵列(Time-ModulatedArray,TMA)天线是一种基于时间调制技术的新型阵列天线,通过将“时间”作为第四维设计自由度引入到三维空间常规阵列天线设计中,使阵列天线具有时间调制特性,从而控制阵列天线的辐射特性。本文首先对时间调制阵列天线理论和分析方法开展了研究,然后从简化阵列结构、降低系统成本和先进性能角度出发,解决了时间调制阵列天线在单波束扫描应用中尚存的性能缺陷、发掘了时间调制天线技术在方向回溯阵列天线中的应用及其优势、并探索了广义时间调制阵列天线—时间调制频率分集阵列天线的相关理论和潜在应用。本论文的主要创新性工作可以概括如下:1.时间调制阵列天线的时频域全波特性:为了在互耦效应下对时间调制阵列天线进行精确的分析与模拟以及对其性能有全方面的把握,提出了基于阵中互阻抗公式的TMA解析求解方法,大大提高了 TMA优化设计的全波分析效率。利用该解析方法,在时域和频域对TMA的辐射特性展开了全面的分析,给出了方向图和方向性系数计算的时频域全波表达式。为验证其准确性和高效性,在天线单元等幅同相激励条件下,给出了均匀间距TMA和不均匀间距TMA低副瓣方向图综合和恒定瞬时方向性系数综合的数值计算结果以及对应的仿真结果。2.单边带时间调制相控阵(Time-Modulated Phased Array,TMPA)天线:在单波束扫描时,针对传统相控阵中移相器的量化误差、控制电路复杂及成本昂贵和TMA的无用基频辐射及其它边带辐射导致的天线效率低下等缺陷,提出了单边带时间调制相位加权技术,通过设计相应的脉冲时序,实现了无移相器的相控阵功能。在两种不同脉冲时序—矩形脉冲时序(即采用理想开关)和梯形脉冲时序(即考虑开关上升沿和下降沿过渡效应)体制下,研究并证明了单边带TMPA的波束扫描特性且对比分析了阵列辐射性能(边带电平和有效功率效率)。3.可重构时间调制共孔径阵列天线:基于时间调制技术和方向回溯技术,提出了两种可重构时间调制共孔径阵列天线,即时间调制的方向回溯和自调零共孔径阵列(Time-Modulated Retrodirective and Self-Null-Steering Array,TM-RDNA)天线和时间调制方向回溯三功能可重构共孔径阵列(Time-Modulated/Retrodirective/Time-Modulated Retrodirective Array,TM-RDA)天线,并给出了各自的工作原理。与传统RDNA天线系统相比,TM-RDNA简化了天线系统的结构、降低了天线系统的成本及复杂度且节约了空间资源。TM-RDA实现了天线系统的多功能化且功能之间的可重构是通过控制单刀三掷开关的工作时序实现的,具有重构简单、精度高和成本低等优点。为验证所提方案的可行性和合理性,采用印刷偶极子单元,分别设计和加工了一个四单元TM-RDNA和一个四单元TM-RDA,对其进行了实测,并给出了各自的测试结果以及用于对比的仿真结果。4.远程聚焦时间调制频率分集阵列天线:为实现远程单目标空时四维(方位角θ、俯仰角φ、距离r和时间t)聚焦,提出了基于时间调制频偏的频率分集阵列天线,并给出了两种时间调制非线性频偏方案—时间调制对数频偏(Time-Modulated Logarithmic Frequency Offset,TMLFO)和时间调制优化频偏(Time-Modulated Optimized Frequency Offset,TMOFO),前者是解析求解,后者是基于方向图优化综合求解。通过对比和分析这两种方案在理想频偏和非理想频偏下空时四维聚焦的性能,证明了基于TMOFO的频率分集阵列天线具有更好和更加稳健的空时四维聚焦性能。此外,鉴于TMOFO的频率分集阵列天线在远程单目标聚焦中的应用,提出了基于角无关TMOFO的时间调制频率分集阵列天线,并应用于远程多目标聚焦。该阵列天线通过采用角无关TMOFO(即仅与目标距离相关而与目标角度不相关)与TMA多边带辐射相结合的技术,实现了远程多目标在距离相同情况下的空时四维聚焦。5.近程聚焦时间调制频率分集阵列天线:针对TMOFO方案应用于近程单目标聚焦时由于大频偏引起的时变相位误差而无法实现精确空时四维聚焦的缺陷,提出了补偿式TMOFO方案,即基于补偿式TMOFO的频率分集阵列天线。补偿式TMOFO通过修正阵元的频偏补偿了时变二次相位因子的作用,从而实现了近程单目标的空时四维聚焦。为验证所提方案的有效性和合理性,分别给出了采用补偿式TMOFO和TMOFO实现近程单目标聚焦的结果,并对比分析了这两种方案下的空时四维聚焦性能。此外,为实现近程多目标聚焦,提出了基于时间窗补偿式TMOFO的频率分集阵列天线。该方案通过把一个脉冲时宽分裂成多个时间窗并在每个时间窗上各自实现近程单目标聚焦,从而实现了近程中任意多目标的空时四维聚焦。