随着需求的不断增长以及相关技术的不断进步,有源相控阵天线(active phased antenna array,APAA)在军事和民用领域的应用范围也在不断扩大,带来了如星载APAA的波束赋形、考虑互耦效应的非规则有源相控线性阵列天线的综合以及双频共口径APAA的稀疏布阵等实际工程应用问题。本文研究这些实际工程应用问题背后的基础理论,包括阵列天线的快速分析、校准和诊断,探索阵列天线的工作机理,在此基础上提出提升APAA性能的特色方案,高效解决典型实际工程应用问题,具有重要的研究意义。本文的主要工作和创新点如下:1.基于chirp-z变换的阵列天线方向图快速计算作为阵列天线性能重要的评估方法及其设计基础,方向图的数值计算非常重要。叠加求和方法速度较慢,尤其是对于大型平面阵列天线而言,这一问题更加突出。另外,在诸如阵列天线综合等应用中,方向图的重复计算将导致耗时过长。由于阵因子和阵元激励电流之间是一傅里叶变换对,因此,快速傅里叶变换(FFT)可以加速计算阵元间距为半波长的阵列天线的方向图。然而,对于一般形式的阵列天线,FFT无法直接使用。本文提出了一种基于chirp-z变换(CZT)的阵列天线方向图快速计算方法,能够快速、有效地计算各类线性阵列和平面阵列天线的方向图。数值算例证实了该方法适用范围广、计算速度快且精度高,尤其是在计算大型平面阵列天线时,该方法的速度优势将更加突出。2.逆CZT及其在阵列天线逆问题中的应用研究在上述研究基础上,本文进一步提出将逆CZT(inverse CZT,ICZT)应用于相控阵天线的校准与诊断中,且已成功运用于不同类型的弹载和星载有源相控阵天线方向图的综合。不同于FFT只能快速求解阵元间距为半波长的阵列天线的校准和诊断等逆问题,基于ICZT的阵元激励电流反推方法可用于不同阵元间距的周期性阵列天线的校准与诊断。结合本文提出的基于CZT的方向图快速计算方法,将ICZT运用于阵列天线的快速综合中,不仅能够综合阵元间距为半波长的阵列天线,还可以综合阵元间距非半波长的周期性阵列天线,且收敛速度快、耗费时间少。3.星载有源相控阵天线波束赋形技术研究当某实际星载APAA波束在空域内扫描时,要求方向图可见区的某一局部区域内具有极低的副瓣电平(sidelobe level,SLL),对增益损失又有严格的限制,极大地加剧了问题的求解难度。本文提出扫描空间分解法,将主波束扫描空间分解为若干扫描子空间,在不同的子空间内使用不同的加权系数,将几乎难以求解的问题转化为若干可求解的问题。为进一步降低求解难度,提出一种阵元以三角形栅格排布的平面阵列分解方法。该方法将阵面视为由多个子阵拼接而成,每个子阵的加权系数相同。因此,阵列优化参数在很大程度上得以降低,从而在不牺牲APAA性能的前提下降低了问题的求解难度,成功应用于实际星载APAA的波束赋形。4.考虑互耦效应的非规则有源相控线性阵列天线综合技术研究互耦效应对阵列天线的方向图有着重要的影响,然而考虑互耦效应的非规则有源相控线阵的综合有待研究,本文对此进行研究并提出了相应的综合方法。该方法的步骤I和步骤II采用唯位置加权方式抑制峰值副瓣电平(peak side lobe level,PSLL)以满足远距离作用需求。其中,步骤I设计了一个未考虑互耦效应的电扫非规则线阵。为避免波束在扫描时可见区内出现高电平副瓣或栅瓣,不同波束指向的方向图PSLL被加以评估和抑制。在考虑互耦效应的情况下,步骤II运用迭代优化方法并结合全波仿真对上一步求得的阵元位置重新优化以弥补因互耦而导致的PSLL恶化。由于这一步仅需几次迭代,所以全波仿真所需的时间是可以承受的。基于综合的线阵以及有源单元方向图(active element pattern,AEP)方法,步骤III分别运用唯相位与唯幅度加权方式进一步抑制PSLL以满足近距离作用需求,然后运用幅相同时加权方式赋形近距离探测所需的平顶波束。此项研究工作较为完备地考虑了将非规则阵列结构应用于有源相控线阵时所需要解决的阵列综合问题。5.Ku/Ka双频共口径有源相控阵天线稀疏布阵技术研究采用“周期阵+稀布阵”布阵形式的双频共口径有源相控阵天线具有诸多性能优势并能够在一定程度上避免采用其它布阵形式的共口径有源相控阵天线所面临的问题,然而高频阵列天线的稀疏布阵则成为此类共口径有源相控阵需解决的关键技术问题。本文对此进行了较为深入的研究并提出了一种稀疏布阵方法。该方法将有位置限制的二维稀布阵求解问题转化为无位置限制的二维稀疏阵求解问题,所以问题的求解难度得以降低。稀疏布阵的阵列天线具有较高的SLL,而且当波束扫描时非可见区内的栅瓣或高电平副瓣将进入到可见区,从而使方向图性能进一步变差。为了找到所有可能进入到可见区内的栅瓣或高电平副瓣,将方向图计算频率设置为f_s=(1+sinθ_s)·f_H。基于此频率设置方式,所计算的方向图不仅包含了可见区内的方向图还包含了相应的非可见区内的方向图。优化后的Ka有源稀布阵列天线在整个频段内工作时,不同波束指向的方向图没有栅瓣且SLL较低。