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阵列天线是无线电子系统的重要结构,对系统的性能实现有着至关重要的作用,在无线通信和雷达系统中应用广泛,可以实现低/超低副瓣、快速波束扫描、波束赋形、多波束形成以及自适应零深形成等功能。上述功能的实现需要传统天线阵具备精确的幅度控制和相位控制能力。复杂的馈电网络结构、高精度的幅相控制需求以及高昂的成本花费,在增加了传统天线阵的设计加工难度的同时也对其在实际工程中的应用提出了巨大挑战。四维(Four-Dimensional,4D)天线阵引入“时间”这一维自由度,给予阵列天线设计更大的灵活性。通过对射频(RF)开关进行时间调制,4D天线阵可以在中心工作频率形成等效的幅度加权并且在边带产生等效的幅度加权以及相位加权,弱化了传统阵列天线对激励幅相的依赖,在较低的幅度动态范围比下实现对天线阵列的精确辐射控制,大大简化馈电网络,节约成本。同时4D天线阵具有高效应用性,一种固定结构的4D天线阵阵列形式通过对开关时序的控制可以实现多种功能,适用于多种场景,大大减少了天线的设计成本。本文的工作从4D天线阵时域和频域的辐射本质出发,给出信号带宽和调制频率在不同的大小关系下,4D天线阵在无线通信领域的应用。提出基于4D天线阵的改进的相位调制技术,实现对阵列中心频率更加精确的辐射控制;结合数值仿真与实验测试验证了4D天线阵在轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)通信上的优势;提出基于四维反向阵(Four Dimensional Retro-Directive Antenna array,4D-RDA)的物理层保密通信系统,解决了传统保密通信系统中对合法接收机角度以及数目的限制,提高了保密性能。本文主要研究内容包含以下三个部分。1.提出了一种改进的4D天线阵相位调制技术。本文提出的方法通过四条延迟线(0°、180°、90°和270°)与两个单刀双掷开关连接到每个天线单元,可以在4D天线阵中心频率处同时产生等效的实部加权和虚部加权,通过数值仿真实现了在不使用移相器的情况下实现中心频率处任意角度的波束扫描以及波束赋形,显著提高4D天线阵的辐射效率,为4D天线阵在辐射方向图综合问题上带来了新的机遇。2.率先采用实验实现了4D-OAM阵同时产生多种模式的OAM波束。通过对不同开关形式下的时序进行优化设计,提高了4D-OAM阵产生OAM波的效率,同时各阶模式的能量得到显著提高,并通过本文首次提出的适用于收发天线不同频率情景下的新型近场相位测试方法,验证了4D天线阵在OAM通信上的优势。同时通过对BPSK信号的波形以及误码率仿真证明了4D-OAM阵可以接收并且解调出多种OAM信号。3.提出了基于4D反向天线阵的保密通信技术。该技术得益于反向天线阵具有无需来波入射角的先验信息,也不需要进行复杂的数字信号运算,只依赖于自身硬件的处理便可以将阵列的发射波束指向来波方向的特性,可以在避免使用移相器、衰减器的情况下实现任意期望方向的通信信息的安全传输,并且在优化时序下保密性能得到显著提升。此外,数值仿真以及实验测试结果验证可这一结构同样适用于自由空间中不同方向有多个合法接收机情景。