相控阵列天线因其具有高增益和灵活的波束扫描、波束赋形能力,已被广泛应用于各种无线电子系统中。但随着电磁环境越来越趋于复杂,系统对相控阵的性能提出了更高要求。为了能够满足低副瓣、高增益、多功能一体化等应用需求,相控阵列天线需要朝着大规模化方向发展,这对阵列天线的优化设计提出了巨大的挑战。首先,每个阵元后端都需要连接一个T/R组件,而基于传统的T/R组件构成的馈电网络结构复杂、成本高昂、功耗巨大。其次,在大型阵列中,阵列背面上的所有连接都被约束到每个天线元件的相同区域,这种有限空间约束随着工作频率的逐步提高对天线阵列提出了严峻的工程挑战。因此,必须从阵列天线辐射机理出发,增加其设计自由度,减少T/R组件数量,探索新型阵列天线的可能形式。非规则子阵技术,是指将规则排布的天线阵列进行非规则的子阵划分、同一子阵内天线单元激励幅度和相位保持一致,并且采用同一T/R组件馈电各子阵以降低相控阵整体成本和功耗。由于阵列中所有单元都参与辐射,相比于传统的稀疏或稀布阵列架构,非规则阵能够实现更高的增益和角分辨率。因此,非规则子阵技术在应对低成本高增益相控阵新挑战方面具有极大的挖掘潜力。本文以非规则子阵为研究对象,重点对非规则子阵的辐射机理和综合方法进行了深入研究,并结合典型系统应用探讨了基于非规则子阵的大规模MIMO基站频谱效率最大化设计方案。论文的主要研究内容及创新成果概述如下:1.针对大规模非规则阵的综合问题,提出了基于最大熵原则的非规则阵列优化模型。该模型将整个算法分为两步:第一步,利用遗传算法基于最大熵的原则找到最优的拓扑结构;第二步,根据确定的拓扑结构,对期望扫描角度进行波束综合。该方法利用信息熵的概念从另一个维度重新定义了非规则阵列,将原有复杂的问题分解为两个相对简单的问题,显著提高了整个优化过程的效率。2.针对强耦合宽带相控阵列单元间距较小的缺陷,国际上率先研制出基于非规则子阵技术的稀疏馈电型强耦合宽带相控阵。该稀疏馈电型强耦合宽带相控阵在节省一半T/R组件数目的情况下依旧能够实现在8-12GHz频率范围内?60°扫描,且天线性能在?30°扫描范围内基本保持不变,且T/R组件馈电间距可达0.576倍高频波长。该项成果成功地解决了强耦合阵列单元间距不能大于最高频半波长的难题,减轻了在高频段小型化连接器安装的难度,并且有利于减少高成本的T/R组件数量、降低散热模块设计复杂度。3.针对不同应用场景,提出了两种低稀疏率馈电型高增益非规则阵列的综合方法。首先,在充分分析非规则阵的辐射机理后,得出了相对波程差是非规则阵列在大角度扫描时方向性系数下降的根本原因的结论,子阵规模的增大和扫描角度的增加不可避免的导致相对波程差的增大,从而导致方向性系数降低。针对有限视场应用,仅通过优化子阵形状和排布方案,实现大角度扫描时的方向性系数的提升。另外,针对宽角扫描应用,通过对子阵内单元不等相位的馈电及端射子阵方向图设计,显著提升了大角度扫描时的方向性系数,使得非规则阵在整个扫描范围内与采用同样T/R组件数量的传统相控阵相比,都可以获得近3d B的方向性系数收益。4.提出了适用于5G基站平台的一维非规则阵列新结构,针对多种规模子阵混合排布的优化问题,通过凸分析与转化,建立了混合整数二阶锥规划模型。同时创新性地引入广义Benders分解算法将原复杂问题分解为多个较易求解的简单问题,实现了对大规模一维非规则阵列布局问题的快速求解。非规则子阵划分策略基于有限大阵列全波仿真得到的各单元有源反射系数和有源方向图,将联合效应对可实现增益的影响也纳入优化模型以最大幅度的挖掘天线阵面上的自由度。5.最后,针对下一代MIMO阵列,创新性地将非规则子阵划分技术引入传统的全数字波束形成阵列和混合数字波束形成阵列。分别建立了全数字非规则阵列和混合数字非规则阵列的MIMO传输模型,并通过探究内部传输机理,采用最小均方误差算法对非规则拓扑结构进行了优化。数值仿真结果表明,在相同功率约束和相同RF链数的情况下,非规则MIMO阵列优于传统的数字波束形成阵列和天线选择阵列。