随着科学技术日新月异的发展,无线通信不断向着大带宽、高速率的方向前进,然而,空间中的频谱资源是有限的,如何更合理的利用频谱资源,提高频谱利用率和通信速率,成为当今无线通信领域的一个研究热点。含有轨道角动量的涡旋电磁波因具有多拓扑荷特性,且各拓扑荷的波束彼此独立,在提高通信容量和雷达探测性能等方面有望实现全新的突破。现有生成涡旋电磁波的天线实物只能生成一种或最多两种模式的涡旋波束,且生成两种模式涡旋波束的天线结构也都比较复杂,生成更多阶模式涡旋波束的天线系统还只停留在仿真验证阶段。针对这些问题,本文研究设计了一系列可生成涡旋电磁波的天线,天线都有着非常简洁的结构形式,并保持了较高的涡旋模式纯度。实际的研究设计遵循了从单模态到多模态、从单极化到多极化的思路,包括了单模涡旋波束喇叭透镜天线,单模和混模涡旋波束平板反射阵列天线,双模涡旋波束双圆极化高次模贴片单元,双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线,五模涡旋波束线极化环形阵列天线和多模涡旋波束多极化环形阵列天线。本文的研究内容主要包含以下四个方面:1.采用介质占空比法对平板穿孔介质材料的特性进行了研究,通过在喇叭天线口径面上覆盖具有相位校正功能的平板穿孔介质透镜,有效缩减了天线的整体尺寸,激励出了?=+1和?=-1两种模式的涡旋波束,在此基础上研究分析了涡旋波束的空间幅度分布和相位分布等特征。采用Floquet端口法对电磁波以某种极化方式斜入射到二维周期性结构时,平板穿孔介质材料的反射特性进行了研究,在此基础上设计完成了可生成单模?=-1、混模?=-1&-2涡旋波束的两种平板反射阵列天线。2.针对生成多模涡旋波束天线结构复杂的问题,给出了一种双模涡旋波束双圆极化贴片单元和一个双模涡旋波束双圆极化四元阵的设计方法。在双模涡旋波束贴片单元的设计中,通过在圆形贴片中激励出双圆极化21TM模来生成?=±1两种模式的涡旋波束;与现有的双模涡旋波束天线相比,该天线结构简洁,并能在较广的倾角范围内保持较高的涡旋模式纯度。在双模涡旋波束的四元阵之设计中,利用旋转圆极化单元产生相位差的原理来生成涡旋电磁波,四个单元等幅同相馈电,简化了馈电网络;测试结果与仿真吻合良好,天线可生成涡旋模式?=+1的左旋圆极化波和涡旋模式为?=-1的右旋圆极化波。3.为了实现更多阶涡旋模式的复用,给出了一种基于Rotman透镜馈电的五模涡旋波束线极化环形阵列的设计方法。阵列采用Rotman透镜馈电,极大地简化了馈电网络;并通过采用双层结构,有效减少了Rotman透镜对天线阵辐射的影响,缩短了天线的整体尺寸;通过优化和改进阵列布局,改善了单元间的耦合,降低了馈电网络复杂度,提高了天线的整体性能。测试结果与仿真吻合良好,阵列天线可以生成涡旋模式?=-2,-1,0,+1,+2的电磁波。与现有生成多模涡旋波束的环形相控阵列相比,该天线结构简洁,实现方便,是轨道角动量多模复用和雷达探测领域的一个绝佳选择。4.针对通信系统对更大信道容量的需求,给出了一个多模涡旋波束多极化环形阵列天线的设计。通过将三极化单元合理组阵,生成了三种极化的多模涡旋电磁波;将左旋圆极化、右旋圆极化两种极化方式与多模轨道角动量结合复用后,系统的信道容量可以得到更进一步地提升。分析研究了不同模式OAM波束的辐射方向图、电场分布和空间相位分布等特征,比较了不同极化涡旋波束的异同,并详细分析了阵元数目、阵列口径对涡旋波束的影响,讨论了多模复用时不同模式涡旋电磁波的叠加对方向图的影响。