随着深空探测的快速发展,对观察阵列的要求也越来越高,平方公里阵列(Square Kilometer Array,SKA)是国际射电天文合作组织联合规划的综合孔径最大,灵敏度最高的的综合孔径射电望远镜。SKA基线长达数百公里,阵元数量高达数百万个,这些都对天线单元和阵列布局提出了很高的要求。论文以SKA为应用背景,深入研究了接收射频前端,开展了相关的设计和研究,设计了应用于SKA的天线阵元,前端滤波器,并采用优化算法对SKA子站进行了优化布局和波束扫描,主要研究内容如下:(1)针对SKA低频阵和中频阵的工作频段,设计了一款高增益,超宽带对踵型Vivaldi天线。为了改善天线在低频时的工作性能,提出在辐射臂上加载斜向周期波纹的方法,拓展了天线带宽,改善了S参数和方向图特性,保证了天线可在0.3GHz~13GHz频段正常工作。(2)针对SKA阵列低频干扰信号多,阵列规模大的特点,提出了使用平面半导体加工兼容材料和制造方法实现新型自卷曲交指电容方案,将传统意义上的平面交指电容卷曲成3D结构,大大增加了电容密度,并且提高了空间利用率,设计了高集成度的片上LC滤波器,未来可与SKA天线输出端口集成,形成小型化接收前端。(3)立足于SKA低频孔径阵列(LFAA)应用背景,以SKA天线单元为基础,研究了单个Tile内16个单元天线的配置方式,并利用粒子群算法优化了单站(Station)内256元天线的配置方式,通过优化迭代成功实现低副瓣、无栅瓣的目标,并在50-675MHz频段内实现了±45度相扫。