阵列天线广泛应用于现代通信和雷达等无线系统中,对这些无线系统的整体性能有着重要的影响,甚至引领这些无线系统的发展。阵列天线可以实现低/超低副瓣、快速波束扫描、波束赋形、多波束形成、自适应零深形成等功能,但是传统天线阵需要精确的幅度和相位控制才能实现上述功能。在实际工程中传统天线阵面临着馈电网络复杂、实现精确幅相控制难等问题,这些问题极大地增加了传统天线阵设计和加工的难度,导致了较高的天线成本。传统天线阵可以被看作是分布于三维空间的辐射源。四维天线阵是将时间变量作为第四维参数引入到传统天线阵中而形成的一种新型阵列天线。它可以将传统天线阵中的阵元幅度和相位加权通过时间加权的方式实现,从而大大地简化了馈电网络的设计。相对于传统天线阵,四维天线阵具有很多的设计优点,例如在阵列单元等幅同相激励下可以实现低副瓣方向图、无移相器波束扫描、多波束形成、宽角范围测向、发射信号的方向调制等。在硬件结构上,四维天线阵是在传统天线阵中增加一组高速射频开关而构成的,通过开关的控制可以快速准确地调节四维天线阵的辐射特性,具有极大的设计灵活性。作为天线领域的前沿研究技术之一,四维天线阵在过去十多年中受到学术界广泛的关注。本文以四维天线阵的基础理论和基础应用为研究课题,重点研究了四维天线阵的时域和频域分析、信噪比性能估计、时间调制方法、方向图综合方法、基于四维天线阵的方向调制技术等,主要研究内容包含以下五个部分。1.首次在时域和频域对四维天线阵的辐射特性展开了全面的分析。具体分析了四维天线阵的辐射方向图、辐射信号、方向性系数、以及时域和频域分析结果之间的关系。结合时间调制后的信号频谱,分析了四维天线阵传输信号的带宽。研制了一种带寄生单元的双层宽带印刷偶极子天线,采用印刷偶极子单元、功分器、移相器、高速射频开关、控制开关的电路板等搭建了一套四维天线阵系统,给出了四维天线阵的测试方法,并对上述时域和频域分析结果进行了实验验证。2.提出了四维天线阵方向性系数计算的时域表达式,并首次分析了四维天线阵接收后的信号信噪比性能。针对单刀单掷开关四维天线阵馈电网络效率低的问题,提出了单刀双掷开关四维天线阵。所提出的信噪比计算方法通过仿真四维天线阵接收的BPSK信号误码率得到验证。结合四维天线阵接收信号的后处理过程,分析了时间调制对接收信号频谱的影响,通过比较单元接收信号的频谱和阵列接收信号的频谱,进一步验证了所提出信噪比计算方法。3.提出了分段优化时间步这一灵活的时间调制方法,并将所提出的时间调制方法应用于四维天线阵中一个线阵和两个面阵的方向图综合,在阵元等幅同相激励条件下实现了低副瓣和低边带方向图综合。相对于前人提出的任意时间调制方法,本文提出的时间调制方法都具有更大的设计灵活性。在综合相同低副瓣方向图条件下,分段优化时间步调制方法可以使得边带信号抑制得更低。给出了一个16单元四维天线阵的低副瓣低边带方向图测试结果,并验证了所提出方法的可行性和合理性。4.提出了两种新颖的四维天线阵方向图综合方法。这两种方法结合商业电磁全波仿真软件和优化算法,采用实际阵列天线模型完成了低副瓣方向图综合。第一种方法利用优化算法优化时序,基于频域分析将优化后的时序转变为幅度和相位激励,通过仿真软件接口程序将幅度和相位激励输入到仿真软件中。这种方法通过线阵和共形阵的算例得到验证。第二种方法先快速获取每个单元的有源单元方向图数据,将每个单元的有源单元方向图乘以它们的幅度和相位激励,然后矢量叠加起来。第二种方法通过面阵的综合及其全波仿真结果得到验证。5.提出了基于四维天线阵的方向调制技术。利用该技术可以使得四维天线阵在期望方向发射正确信号,在非期望方向发射失真信号。该技术通过仿真四维天线阵发射模拟信号和数字信号的波形和频谱得到验证,并搭建了实验平台对四维天线阵发射的模拟信号波形和频谱进行了测试验证。为了进一步增强方向调制技术的效果,提出了随机时间调制方法。最后对四维天线阵方向调制的角度范围进行了分析和评估。