大型阵列天线因其在高辐射增益,高角度分辨力、灵活的波束控制能力等方面具有的优势受到广泛的关注。但是庞大的阵元数目导致系统的设计复杂度高、制造成本大,这也是限制大型阵列天线发展的重要因素。阵列稀疏化设计是降低系统复杂度与成本的有效方法。稀疏阵列能以较少数量的阵元实现与同规模的满阵相当的波束分辨力,仅通过稀疏阵元的优化分布,就可以有效降低方向图副瓣电平。大型稀疏阵列综合是高维的非线性优化问题,高效的阵列综合方法一直是研究的热点。另一方面,随着无线通信技术的发展,集成化与多功能化成为天线系统发展的趋势。共口径阵列天线在实现多频段、多极化、多波束等功能的潜在价值,成为促进系统集成与多功能化的重要天线形式,新型的共口径阵列天线具有广泛的应用前景。本文着眼于阵列天线高性能与多功能化的发展需求,针对大型稀疏阵列天线与共口径阵列天线的综合与设计展开了系统研究,主要包括以下几方面的内容:1.基于概率模型优化的稀疏阵列综合算法。本文首先研究了均匀激励的稀疏直线阵列中,使用傅里叶变换计算阵因子以及阵元激励的方法及特点。通过对稀疏阵列及其综合过程的分析,构建了一种表征稀疏阵列分布的概率估计模型,并结合迭代傅里叶方法(Iterative Fourier Technique,IFT)提出了一种基于自适应概率模型优化的稀疏阵列综合算法,即PLIFT(Probability Learning Iterative Fourier Technique)算法。PLIFT基于概率模型对迭代优化过程的学习,形成了新的优化更新机制,有效解决了IFT算法易陷入局部收敛的问题,同时PLIFT算法保持了较高的效率,对大型稀疏阵列的综合具有良好的效果。接着,将PLIFT算法拓展至大型平面稀疏阵列的综合,并且通过采用渐进稀疏策略,提高了该算法对大型平面稀疏阵列的综合能力。此外,通过在目标函数中设置额外的零陷约束,基于PLIFT算法实现了带零陷的低副瓣稀疏阵列的有效综合。2.基于互斥概率模型的共口径交错阵列综合算法。提出了一种表征共口径的交错互补稀疏阵列分布的概率模型,称为互斥概率模型。鉴于共口径的交错阵列可以看成两个稀疏子阵列的组合,在本文PLIFT算法的基础上提出了基于互斥概率模型的EPLIFT算法,并用于共口径交错阵列的综合。EPLIFT算法的优点在于,通过互斥概率模型的相互转换关系,EPLIFT算法便捷地实现了对共口径交错分布的两个稀疏阵列的协同优化,并且综合得到的两个稀疏阵列在主波瓣宽度、副瓣电平等表现具有很好的一致性。该方法对共口径直线稀疏阵与共口径平面稀疏阵都实现了有效综合。3.共口径阵列天线设计。首先基于分形嵌套贴片结构设计了双频宽带共口径天线,并利用天线的周期结构特征组建了连续口径阵列。该阵列实现了C波段和X波段天线在同平面的集成,并且该共口径阵列具有极低的剖面。其次,提出通过阵元共享辐射面的方式实现阵列扫描角度的拓宽。利用超材料天线单元具有周期结构辐射面的特征,使相邻单元部分重叠进行组阵,因此阵元间距不再受阵元尺寸制约,阵列扫描能力得到大的提升,为超材料天线用于宽带宽角扫描阵列天线设计提供了新的思路。接着,基于该共口径宽角扫描阵列天线,使用PLIFT算法综合了稀疏馈电的低副瓣阵列天线,以较少的馈电端口实现了良好的低副瓣方向图以及扫描特性,进一步验证了本文算法的有效性。