电控波束可调天线与阵列利用二极管等有源器件,能够实现电磁波能量空间分布的灵活调控。这种天线具备定向天线高增益和全向天线宽角度覆盖的特性,且成本低、易于实现,对解决通信资源匮乏的问题、提升系统容量和通信质量等具有重要意义,近年来己成为研究热点。然而已有电控波束可调天线的功能和调节能力有限,且尺寸、复杂度和功耗较大,不易在系统和阵列中应用。此外,目前波束可调天线在阵列中的应用研究多集中于传统半波长相控阵,没有充分发挥电控波束可调天线的优势,缺乏波束可调天线在其他类型阵列中的应用研究。本文针对电控波束可调天线与阵列开展研究,提出了波束和零点扫描天线、二维波束可调天线和相量波束可调天线的设计方法,并将这些天线单元应用于大间距相控阵、共形天线阵和二维测向天线阵中,为阵列天线设计引入新的自由度。本文工作丰富了波束可调天线的种类,提升了天线与阵列的性能,降低了系统的复杂度与成本。本文的主要创新点如下:1.提出了基于短路探针的波束和零点可调贴片天线设计方法。通过在正方形辐射贴片的两条平行非辐射边加载由边缘短路探针和变容二极管组成的阻抗可重构电路,以改变两条辐射边等效辐射缝隙之间的相位差,实现波束和零点的一维扫描。在此基础上,改变原有阻抗可重构电路的位置,通过在正方形辐射贴片4条边中点分别加载阻抗可重构电路,在不增加二极管数量前提下,实现两个正交平面内波束和零点的同时扫描并获得了良好的阻抗匹配。所设计天线单元具有波束和零点同时扫描特性,且结构紧凑、二极管数量较少,适合应用于阵列设计。2.提出了二维和相量波束可调堆叠贴片天线设计方法。通过在贴片天线对角线方向堆叠4个加载PIN二极管的寄生贴片作为引向器或反射器,沿多个方向形成波束偏转所需的相位梯度,最终在E面、D面（对角面）和H面实现共计9种模式的二维波束调节。进一步地,提出了具备幅度和相位方向图调节能力的相量波束可调堆叠贴片天线。通过在贴片天线顶层堆叠两个加载PIN二极管的寄生贴片并改变顶层贴片感应电流的幅度和相位,实现天线相量波束的调节。所设计天线单元不仅具有波束指向调控能力,还可实现相位方向图调节,同时还具备结构简单、二极管数量少的特点,适合应用于阵列设计。3.基于波束和零点扫描天线单元,提出了一种大间距相控阵栅瓣抑制方法。通过将波束和零点扫描天线单元的方向图零点实时对准相控阵阵因子的栅瓣,实现了大间距相控阵波束扫描过程中的栅瓣抑制。同时,天线单元的波束指向随零点角度的变化而改变且波束较宽,阵因子主瓣始终落在天线单元的3 d B波束宽度内,从而减小了相控阵波束扫描至大角度时的增益滚降。利用波束和零点扫描天线组成2×4大间距相控阵,在波束扫描角度-76?至75?范围内,实测副瓣电平小于-9.3 d B,增益滚降小于4.4 d B。最大增益为17.0 d Bi,对应口径效率为69.86%。与传统半波长间距的相控阵相比,该方法在保证扫描性能前提下减小了阵列规模,有效降低了相控阵的复杂度和成本。4.将二维波束可调堆叠贴片天线应用于大间距相控阵中,提升了大间距相控阵的二维波束扫描性能。根据天线单元的9种工作模式,将二维空间划分为9个子空间。当阵列波束扫描至不同子空间时,相应地将所有天线单元切换为9种模式中的1种。所设计的2×2大间距相控阵实例在E面、D面和H面的实测扫描范围分别为±60?、±42?和±60?,最大增益滚降为3.8 d B。波束扫描中最大增益为14.6 d Bi,对应口径效率为69.54%。5.将相量波束可调天线应用于共形天线阵,提升了共形天线阵的口径效率。相量波束可调堆叠贴片天线可以实现幅度和相位方向图的调节。通过引入相量波束可调天线,不仅能够弥补共形阵单元间空间相位差,还可提高边缘天线对阵列轴向波束增益的贡献。所设计的基于相量波束可调天线的4单元圆弧共形阵的实测增益为12.0 d Bi,口径效率为51.48%,实现了比传统基于相位补偿网络的共形天线阵更高的口径效率。6.提出了基于二元波束可调天线阵的二维测向方法。通过引入波束可调天线,线性阵列可以等效成一个多维阵列,以满足二维测向对阵列空间自由度的要求。波束可调天线阵工作在同向模式时,通过时间调制阵列法对俯仰角进行估计;波束可调天线阵切换为反向模式时,通过比幅法对方位角进行估计。同时,为了解决比幅法中解模糊的问题,构建了一个二维测向函数表格。与传统二维测向方法相比,该方法具有天线阵列结构简单、体积小、成本低的优势,在诸多领域具有很好的应用前景。