随着现代无线通信系统的飞速发展,无线通信系统的安全问题也越来越受到人们的重视。为了对无线通信系统进行更高级别的加密防窃听,需要对整个通信系统的软件层面和物理层面的保密特性都进行深入的研究。近来,在物理层保密通信中脱颖而出一种新型的天线技术形式——四维天线阵列。四维天线阵作为传统相控阵的一种演变形式,是将第四维设计变量—“时间”—引入到传统的三维空间天线阵列中,也是现代天线技术科技中最前沿的一种技术。它具有以下的特点:能实现低副瓣或者超低副瓣方向图、高性能低成本、多波束形成、多维设计自由度等等。更值得注意的是,利用其四维天线阵特有的边带效应产生的频率调制作用,可以将四维天线阵列应用于无线信息定向安全传输及保密通信中。本文将四维天线阵技术和圆环阵列技术相结合,提出了一种在二维空间内实现的保密通信的新思路,并且展开较为深入的理论论证和实验研究。论文的工作主要包括:1.基于四维天线阵的基本原理,对圆环四维天线阵列在固定时序、随机时序下的保密通信特性进行数值分析,对圆环四维天线阵的发射BPSK信号进行误码率分析。仿真结果表明,圆环四维天线阵有别之前研究的仅限于方位面的保密通信方法,可以实现模拟信号和数字信号在二维空间内的保密通信。2.基于电磁仿真软件,设计了一款宽带印刷偶极子圆环阵列天线,圆环四维天线阵通过CPLD控制电路搭配合理设计的时间调制频率、信号带宽和开关时序,使其能够在需要方向发射无畸变的原始信号,而在其它他方向发射畸变的错误信号,从而实现所需方向的保密通信。3.针对保密通信所需方向图形式,采用差分进化算法对圆环四维天线阵列的方向图进行优化与综合。在采用商用电磁软件HFSS全波仿真圆环阵列天线模型,使用差分进化算法调用HFSS,对其幅度和相位激励进行优化设计。本文对圆环四维天线阵的阵列设计和保密性能进行了较为深入的研究,并通过实验结果以及数值仿真结果验证了在圆环四维天线阵在实现物理层保密通信系统的可行性。本文的研究工作表明了圆环四维天线阵在物理层保密通信中具有极大的优势和潜力。