近年来，随着无线通信技术的飞速发展，可用的无线电频谱资源日趋紧张，而传统的固定式频谱分配管理存在频谱资源使用不充分的问题。认知无线电(Cognitive Radio, CR)网络作为一种能够与通信环境进行交互的智能通信系统，其动态频谱接入和共享技术，可以有效地提高频谱利用率并解决频谱资源使用不平衡的问题，是解决频谱资源短缺问题的可行方案之一。此外，随着信号处理技术的发展和硬件实现技术的提升，智能天线技术具备了将同频信号根据空间传播角度的差异区分开来的功能，通过空分复用也可提高频谱利用率和扩展系统容量。课题将智能天线技术引入认知无线电网络，通过空分复用使认知用户和主用户在同一个区域内同时共享频谱，从而进一步提升频谱的利用率，突破认知无线电网络的容量瓶颈。论文在分析了认知无线电网络和智能天线技术的研究背景和现状的基础上，对基于智能天线的认知无线电网络频谱共享技术进行了重点研究。首先，针对基于智能天线的认知无线电网络设计了频谱访问方案，包括具体的访问协议和信道、波束分配方法，使认知用户能够更加灵活地利用频谱和空间资源，在不干扰主用户的情况下共享信道。此外，还对基于智能天线与全向天线的两种认知系统的频谱访问概率进行了理论分析和仿真对比。结果表明，与使用传统全向天线的认知无线电相比，基于智能天线的认知无线电系统能获得更多的频谱访问机会；同时极大地提升了网络吞吐量，且主用户越活跃，吞吐量增益越大。随后，设计了基于智能天线的认知无线电频谱切换方案，构建了改变主瓣宽度和改变天线角度两种天线调整策并进行了概率统计分析。某些情况下，认知用户只需调整传输模式即可避免对主用户造成干扰，并不需要切换信道就可维持通信。此方案极大地降低了认知网络的频谱切换率，从空间域提升了频谱利用率。仿真结果表明，与使用传统全向天线的认知无线网络相比，基于智能天线的认知无线电系统的信道平均吞吐量有较大提升，且吞吐量增益随主用户的密度的增大而增大。最后，论文在基于USRP2的软件无线电实验平台上进行了基于智能天线的认知无线电网络相关实验。实验结果表明，基于智能天线的认知无线电系统确实能够大幅提升认知用户的频谱接入机会和减少频谱切换造成的网络负面影响，证明本文提出的频谱共享方案是有效可行的。