当今世界正在完成从万物互联向万物智联的飞跃,日常生活更加智能化的背后,离不开海量数据的传输,通信领域更加面临着前所未有的压力和挑战。传统技术提高通信系统效率的能力已无法满足飞速增长的通信容量需求。近年来轨道角动量技术为电磁波在通信和雷达成像领域的应用提供了一种新的思路。携带轨道角动量的电磁波变成涡旋电磁波后具有螺旋的相位结构,利用这一特性可以有效提高通信系统的效率和改善雷达成像的性能。本文从轨道角动量原理出发,结合现代天线和雷达成像技术,研究了如何设计出可以辐射涡旋电磁波的天线以及利用轨道角动量技术实现高分辨率雷达成像等几方面内容,具体安排如下:首先,本文针对目前涡旋天线产生的模态单一并且无法实时切换模态的问题设计了一种基于射频开关的可重构涡旋天线。以四阵元的阵列天线为基础,设计移相馈电网络完成对阵元的等相位差馈电,在每一路馈电网络加载了射频开关芯片,利用控制电路对加载的射频芯片进行驱动,实现移相馈电网络的实时重构,在2.4GHz下实现了三种模态的动态切换。对所提出的天线进行了仿真和加工测试。该设计的可行性通过实验得到了验证。所提方案结构简单,易于设计和部署,对涡旋电磁波在通信和雷达成像领域应用具有重要意义。其次,本文针对现有的利用抛物面天线和阵列天线等方式产生高模态涡旋电磁波需要更大的体积、更多的阵元,在实际应用于工程时有诸多局限的问题,从特征模式理论的角度设计了六种不同尺寸的椭圆环形微带贴片涡旋天线,在天线结构形式固定的情况下,通过设计不同的尺寸可以产生不同模态的涡旋电磁波。仿真结果和微波暗室实际测试结果均表明,这种方式可以有效地产生不同模态的涡旋电磁波。对比采用阵列天线的形式产生涡旋电磁波,极大地减小了天线的体积,更容易加载和集成到通信系统中。再次,本文对现有的阵列天线产生涡旋电磁波的方法重新进行了研究和梳理,通过分析不同阵列半径和观测俯仰角对模态的影响,并进行仿真和实际加工测试发现,混叠模态可以通过模态加权设计而清晰展现分内外两种模态的电场相位特性,并可以被明确地观测。通过这一方法可以对阵列涡旋天线辐射的电场平面相位进行特殊的设计,在靠近传播轴的圆形区域呈现一种模态,在圆形区域之外呈现另一种模态。这种技术的提出对研究阵列涡旋天线应用于通信和雷达成像领域具有重要的意义。最后,本文设计了一种基于SPECAN的电磁涡旋合成孔径二维成像方法。目前电磁涡旋应用于凝视雷达提高成像分辨率的方法已被广泛研究。在涡旋电磁波应用于合成孔径雷达成像方面,多数研究集中于单一模态电磁涡旋合成孔径雷达成像,即在成像过程中采用固定模态的涡旋电磁波,而对于模态时变的电磁涡旋合成孔径雷达成像的研究较少。本文针对这一场景,设计了一种基于SPECAN的时变模态电磁涡旋合成孔径雷达成像方法,对比平面电磁波合成孔径雷达成像,将与轨道角动量有关的一些因子项进行补偿和进一步处理,完成了模态时变的电磁涡旋合成孔径雷达二维成像,验证了电磁涡旋成像方位向高分辨成像的性能。