天线作为各种无线电子设备的最前端,为了满足日益增长的多样化需求,其经历了从机械扫描天线到电扫描天线的发展历程,波束扫描速度与精度得以快速提升。近年来,一种具有更为灵活波束控制能力的新型阵列天线——频率分集阵列天线,逐渐引起了国内外研究学者的广泛关注。通过在阵元间引入发射频率的差异,频率分集阵列天线将天线理论提升到一个全新的发展阶段,极大地丰富并成功地开辟出了新的阵列天线设计思路,因此开展新体制频率分集阵列天线相关技术及新的应用领域研究具有重要的理论意义和应用价值。本论文围绕国家自然科学基金面上项目“频率分集阵列天线理论与系统设计关键技术研究(61571356)”,对频率分集阵列天线在距离/角度域的波束特性、波束控制与波束综合方法开展深入地分析与系统地研究,主要研究内容概括如下:1.针对频率分集平面阵列天线空间电磁特性复杂的问题,系统地分析了频率分集平面阵列天线在距离与角度二维空间的电磁特性分布。分别建立了方位维频率分集平面阵列天线(仅在方位维阵元间采用频率分集技术)与方位-俯仰二维频率分集平面阵列天线(在方位维与俯仰维阵元间均采用频率分集技术)两种平面阵列天线的理论模型,并分别相应地推导出了这两种平面阵列天线在距离与角度域的波束控制方法,即通过综合利用方位维频率步进量与相位步进量、俯仰维频率步进量与相位步进量可实现全空域的波束覆盖。2.针对频率分集阵列天线方向图的时变特性所带来的波束指向控制困难与信号处理复杂等问题,提出了一种基于脉冲波体制的逼近传统相控阵天线静态波束的准静态波束形成方法。在建立了脉冲波体制的频率分集阵列天线发射波束形成理论模型的基础上,推导出一种准静态波束形成约束条件。并在该准静态波束约束条件下,推导出了相应的频率分集阵列天线发射-接收准静态波束形成,以及一种准静态波束指向控制方法,实现了频率分集阵列天线准静态波束形成与波束指向控制。3.针对频率分集阵列天线引入的新的距离维可控自由度的利用问题,开展了基于二阶锥规划的距离与角度域二维平顶波束综合方法研究,获得了该阵列天线在距离与角度局部区域波束的适当展宽。首先利用频率分集阵列天线空间电磁特性分布与频率步进量相关这一特性,通过将阵列划分为两个采用相反频率步进量的子阵,初步获得仅在期望的距离-角度位置形成主波束的效果。然后基于此结构,将频率分集阵列天线距离与角度域平顶波束综合优化问题构建为一个二阶锥规划问题,确保了该阵列天线在主瓣区域的响应。通过优化该阵列发射权矢量的幅度与相位,提高了该阵列天线发射能量的利用率。4.采用两子阵结构的频率分集阵列天线存在波束旁瓣电平高,且波束综合灵活度受限的问题。为进一步将发射功率聚集于期望的距离与角度局部区域,本论文作者进一步探索分析了基于非重合多子频率分集阵结构的阵列天线各子阵空间电场叠加的效果,通过将整个观测距离与角度二维区域划分成三个子区域,详细推导分析了该阵列天线旁瓣电平随子阵划分数与子阵所包含阵元数的关系。并基于此子频率分集阵结构开展了距离-角度解耦合二维空间波束综合方法研究,分别建立了基于均方误差最小与最大误差最小两准则的相关优化模型,并通过采用凸优化方法快速、高效地获得距离-角度二维低旁瓣综合、距离维平顶波束综合以及距离与角度二维空间同时多波束等波束综合情况下的最优解。