随着无线通信技术的飞速发展,如何利用当前有限的频谱资源,最大限度地提高通信速率和通信容量,解决日益增长的通信需求一直是人们研究的关键问题。近年来,具有轨道角动量的涡旋电磁波实现了同一频带内的多路传输,能够大大地提高频谱利用率,因此成为研究的焦点。本论文重点研究了阵列天线产生涡旋电磁波的方法,提出了一种基于多环阵列综合的分析方法,并将此方法应用于同心的双环圆形阵列天线中,通过对其内外环半径的设计优化,使得内外环产生的涡旋电磁波具有相同的发散角,以此来降低接收端的复杂性。并将此双环阵列与多入多出结构的Butler矩阵进行结合,使之能够同时产生多种模态的涡旋电磁波,相较于普通馈电网络来说更加简单方便;另外,现有的圆形阵列天线产生涡旋电磁波模态单一的问题也得到了解决,还可实现用于复用通信的混合模态。在Butler矩阵设计当中,我们对传统的4×4Butler矩阵以及8×8 Butler矩阵均进行了优化设计,通过改变其输入输出端口的位置,去掉了一部分交叉耦合器的使用,简化了设计,减小了尺寸,并且还降低了损耗。同时在输出端口处增加了以-45°和-22.5°为相位梯度的相移线,以此来产生多模态的涡旋电磁波。经过仿真分析,在工作频段,所设计的Butler矩阵的相位一致性和幅度一致性均比较好。同时,本文还采用了一种新的思路,通过对特征模理论的分析,提出了一种能够产生涡旋电磁波的单天线装置。将贴片天线中产生的特征电流类比于电偶极子,利用模式电流拼接的思路,用两组互补的特征电流叠加等效为阵列模型,以此来产生涡旋电磁波。因此基于特征模分析提出了一款能产生涡旋电磁波的十二边形贴片天线,并采用3d B耦合器对其进行馈电,使得此贴片天线既能产生不同单一模态的涡旋电磁波又能产生用于复用通信的混合模态的涡旋电磁波。同时,利用所设计的贴片天线进行组阵分析,通过仿真说明了单元的OAM模态和阵列的OAM模态是可以线性叠加的,打破了阵元数限制模态的情况,而馈电网络也将前文所设计的4×8Butler矩阵充分利用,通过对不同端口的输入来产生多个模态的涡旋电磁波。最后还设计了螺旋天线单元并进行组阵分析,进一步证明了单元OAM模态和阵列OAM模态的可叠加性,馈电网络采用的是前文所设计的2×4Butler矩阵。这样既为基于涡旋电磁波的无线通信提供了小型化且多功能的设备,也为单个贴片天线的分析与应用提供了新的思路,并且还为高阶模态涡旋电磁波的产生提供了一种有效的途径。最后我们对涡旋电磁波的传输特性展开研究。这部分主要对比了普通圆环阵列、单天线、单天线阵列所产生的涡旋波在空气中的传输特性,分析了普通圆环阵列产生涡旋电磁波的装置与单天线装置的利弊,发现单天线阵列相比于产生同一模态的普通圆环阵列来说,尺寸仍然很小,馈电网络也更简单一些,但同时相较于单天线来说还能保持良好的传输特性,因此单天线阵列产生涡旋电磁波的方法是值得研究探索的。最后还研究了平面电磁波和涡旋电磁波在等离子体中的传播特性,我们根据实际产生等离子体的装置,在HFSS中建立了等效模型进行近似的模拟仿真。