阵列天线由于其高增益及灵活的波束形成能力被广泛应用于各种无线电子信息系统。面对日趋复杂的电磁环境,新一代无线电子系统对阵列天线设计提出了更具挑战性的设计要求。传统相控阵天线只能通过调配各辐射单元的激励幅相以调控电磁辐射在空域的分布,无法调控时频域上的电磁辐射分布。因此,传统相控阵天线难以应对日益复杂的电磁环境。另一方面,复杂的电磁环境驱使着无线电子系统朝着雷达、通信、电子对抗等多功能一体化方向发展。而当把目光聚焦于无线系统前端时,不难发现分立的多套天线系统性能通常相互制约,可靠性有限且其体积庞大,成本高昂。因此,通过增加天线设计自由度并使得一幅阵列天线能够同时完成雷达、通信、电子对抗等功能就成为了现代无线电子信息系统的迫切需求。四维天线阵通过引入第四维度设计自由度“时间”,将空时频域电磁辐射一体调控,通过空时联合调制信号,可以实现传统相控阵无法实现的同时多波束扫描功能,并且可以根据具体应用场景,实时重构天线电磁特征,从而满足现代电子信息系统对天线系统小型化、智能化、多功能一体化等的要求。本文围绕四维天线阵的辐射调控机理及其信息感知应用基础展开研究,并重点开展了四维天线阵在雷达、通信及雷达通信一体化系统中的应用基础研究。主要研究内容及创新成果概述如下:1.详细分析了四维天线阵的辐射调控机理及其在空间传播过程中的时变特性。论文首次详细阐述了四维天线阵对空/时/频域辐射调控能力的本质,揭示了四维天线阵辐射与时间、距离及角度相关的特性;此外,本文还以四维天线阵理论为基础,通过引入时间调制频率,介绍了近年来备受学界关注的时间调制频率分集天线阵,具体阐明了其典型情况下的辐射传播机理,建立了精确的辐射信号模型。这对于理解四维天线阵辐射本质,推动其实用化具有重要意义。2.利用四维天线阵的高效辐射调控能力,有效提升了低截获概率雷达系统的抗截获性能和探测性能。针对传统相控阵雷达在空域上无法有效调控辐射以应对对抗方截获的问题,本文先提出了一种低截获概率信号传输方法,通过对天线单元进行伪随机地调制,从而伪随机地扭曲非期望方向上的辐射信号,使得对抗方难以在非期望方向上识别原始信号,提高了系统的抗截获性能。传统相控阵只能在同一时刻产生单一波束进行扫描,在需要扫描以应对多个目标时,相控阵需要将波束高速在多个目标之间切换,而这种高速切换波束指向的方法很难有效应对高速机动目标或者弱小目标。针对这一问题,在低截获概率信号传输方法的基础上,本文进一步提出了一种基于四维天线阵的同时多目标探测方法,可以在保持有良好低截获性能的前提下,同时产生多个波束以应对空间中多个雷达目标,提高了系统的探测性能。最后,文中搭建了实验平台进行实验测试,以验证所提出方法的有效性。3.系统性地研究了四维天线阵的无线物理层安全通信应用,进一步提升了无线通信系统的安全性和传输效率。传统方向调制技术难以在维持方向调制能力的同时,调控其辐射能量分布。为此,本文提出了一种基于四维天线阵的混合波束形成与方向调制方法。该方法能够在扭曲非期望方向上辐射信号特征的同时,有效地调控辐射能量的空间分布,使得非期望方向上的窃听者难以探测到信号,从而大大提升了无线通信系统的物理层安全性。此外,针对传统方向调制技术辐射效率过低的问题,本文提出了一种基于联合空时调制的物理层安全通信方法,该方法一体整合利用了天线系统的空时自由度,在维持良好物理层传输安全性的同时,提高了天线系统在期望方向上的辐射信号增益。除数值仿真外,本文还设计了相应的实验平台对所提两种方法的有效性进行实验测试。4.基于四维天线阵的多维辐射调控能力,深入研究了将雷达感知与无线通信功能进行一体化设计的方法。针对分立的雷达与通信系统性能之间通常相互制约、质量/体积/功耗较大、保障维护困难、抗截获性能不足等问题,本文通过联合四维天线设计与雷达通信一体化波形设计方法提出了一种基于四维天线阵的雷达通信一体化方法。该方法能使四维天线阵空间中辐射出具备同时多目标探测性能的低截获波形,并能同时与期望方向上的目标进行通信传输,实现了雷达与通信功能的高度一体化。最后,通过数值仿真和实物测试,验证了所提方法的合理性和可行性。