在复杂的战场电磁环境下,充分挖掘和利用电磁波中的极化信息,可以显著提升雷达系统的探测性能。阵列天线以其可以电控波束指向及形状,灵活适应不同战场环境的优势,在对空监视、精确制导及导弹防御等领域得到广泛应用。近年来,随着极化技术与阵列天线技术的不断融合,极化阵列已经是当前国际雷达技术领域的前沿课题,具有广阔的应用前景。当前广泛采用的双极化阵列天线在偏离阵面法线方向扫描时存在增益严重依赖于合成极化状态且主波束内的极化纯度退化显著的问题,这将严重制约阵列的任意极化波束合成效果及二维宽角扫描性能。双极化天线单元固有的性能缺陷是导致上述问题的根本原因。三极化天线是一种更高自由度的极化天线,可以同时实现空域与极化域分集,在无线通信、自适应滤波等领域的应用中收到了良好效果。论文立足于改善极化阵列的扫描性能,围绕三极化天线单元的辐射电场空域分布特性、平面阵/共形阵的波束控制与特性分析、主瓣增益匹配的双极化波束控制等关键问题进行了深入研究。论文的研究成果将对极化测量、目标检测、目标分类识别和抗干扰等应用有所帮助。论文主要工作及取得的研究成果包括以下四个方面:1)建立了三极化天线单元的理论模型,推导得到了产生任意极化的加权系数,以此为基础,研究了三极化天线单元合成辐射电场的空域分布特性,发现三极化天线单元的合成增益不敏感于极化状态,合成极化纯度显著提高,并通过理论推导,证明了当采用无限电流元模型时,三极化天线单元可以实现任意极化恒定增益的半球覆盖。对比分析了双极化天线单元与三极化天线的性能,证明了三极化天线单元的性能是双极化天线单元性能的上限。2)针对Fuchs优化方法所建立的优化问题不能直接转化为凸问题而带来的求解过程复杂及不能保证结果的全局最优性等问题,提出了基于极化变换的凸优化波束控制方法。该方法通过极化变换,建立了对主瓣交叉极化控制的凸问题,进而可以通过数值方法求解得到全局最优解。对极化可重构阵列,提出了联合遗传算法及凸优化算法的波束控制算法。对每个个体采用凸优化方法优化其合成波束,较单独使用遗传算法提高了算法效率。以上述算法为工具,分析了极化平面阵列的扫描性能。证明了采用三极化天线单元可有效扩大平面阵的扫描范围。在偏离天线平面法线方向60°的空域范围内,三极化阵列合成的最大增益维持恒定,同时主瓣的交叉极化电平保持在-45dB以下。而双极化平面阵在该扫描范围内将存在最大6dB的增益损失,同时相对三极化阵列交叉极化电平也将显著恶化(上升20dB以上);3)建立了三极化锥台阵、柱形阵等阵列模型,证明了三极化共形阵可以实现阵元方向图与阵因子的分离,进而可采用功率与极化独立控制方法实现三极化共形阵的波束控制。这种控制方法对产生主瓣增益匹配的双极化波束具有重要意义。针对共形阵阵因子的功率控制问题,提出了基于凸优化算法的波束控制方法,该算法通过对权系数幅度及相位的控制可以实现对合成增益、主瓣宽度及旁瓣电平的联合优化。4)针对独立控制产生的双(正交)极化波束不匹配的问题,提出了基于凸优化方法的双极化匹配波束控制算法。由于所建立的问题为凸问题,保证了解的全局最优性。当将三极化天线应用于柱形阵双极化匹配波束合成时,可以显著改善水平极化波束在宽角扫描时性能的不足。利用12?44的三极化柱形阵进行仿真的结果表明,在相同的交叉极化电平下,合成水平极化的峰值旁瓣电平降低5dB以上,合成双极化波束的整体性能显著提升。