在阵列信号处理领域,波束赋形技术一直以来都是一项核心技术。这项技术通过调整阵列中各个阵元天线的馈电激励,达到控制接收或发射的电磁波功率在不同的空间角度的分布的效果。随着近些年科技的发展,在实际工程应用中,阵列的规模也朝着大规模天线阵的方向发展。天线阵列随着规模的增大,在获得更好的性能的同时,系统复杂度和馈电网络的成本也在逐渐攀升,这使得大规模天线阵列的应用研究遇到了挑战。本文着眼于大规模天线阵的应用需求,从降低大规模天线阵的设计成本以及简化系统的计算复杂度和设计复杂度出发,通过对稀疏化波束赋形技术以及阵列分级技术的研究,立足于改善大规模天线阵列的系统性能,节约系统成本。本文主要研究工作如下:1.基于凸优化的稀疏性波束赋形方法,提出了一种具有旁瓣控制的稀疏阵列波束赋形方案。通过设计阵列中阵元权值激励的1l范数,来实现天线阵列稀疏性的量化。并且通过改变旁瓣区域幅度响应的上下界,达到阵列稀疏性设计与波束旁瓣电平性能之间的权衡。根据波束赋形的不同场景建立数学模型,提出了一个非凸解集上的优化问题,通过引入辅助变量和交替方向乘子法的算法框架,将原问题分解为若干子问题,分而治之,迭代求解,得到权向量和辅助变量。最后通过理论仿真表明,所提出的算法相比于已有的方法可以实现稀疏阵列设计和旁瓣电平的控制,并且在计算复杂度和稀疏性性能上,获得了一定的改善。2.对天线阵列的分级方式进行了归纳总结,主要分析了均匀子阵中的并排式子阵结构和交错式子阵结构,分别对并排式阵列分级方法和交错式阵列分级方法进行数学建模求解。通过建立数学模型,将阵列子阵分级的问题,转化为相应的凸优化问题来解决。最后,通过理论仿真,分析了并排式阵列分级方法和交错式阵列分级方法的性能优劣,以及它们适用的场景。3.本文在已有的交错式阵列分级方法的基础上,提出了一种数模分离的交错式子阵混合波束形成方案。通过将子阵的数字通道与模拟通道分离处理,实现模数分离设计。模拟端设计出幅度完全相同的模拟权系数,数字端设计出实数域的数字权系数。这样做的好处是,在实际硬件实现中,在模拟端只需要引入移相器而不需要使用放大器,在数字端只需要控制信号的幅度而无需调节相位,极大的节约了系统所需的硬件成本。