随着中国互联网行业的快速崛起,出于对便捷生活的需求,各种智能化设备获得了空前发展,与此同时也导致无线通信所依赖的频带出现了资源紧张的问题。由于互联网应用的多样化,对现有的通信速率提出了新的挑战。截止到2019年全国大部分地区都开始了第五代移动通信(5th-Generation,5G)的商用测试,但是5G只能解决当前通信遇到的部分难题,仍需通过下一代通信技术的不断研究寻找通信发展的新方向,这对未来的生产生活有着重大的意义。经调查研究显示,不同模式的涡旋电磁波之间相互正交,这意味着将不同的模式的涡旋电磁波作为载波可以保证通信的有效性和准确性。在正交性的基础上,借助频分复用和时分复用等技术可以有效缓解频谱资源紧张的问题,这也是未来无线通信技术达到更高传输速率的一个备选方案。但是,涡旋波最早是在光领域进行了深入研究并取得了重大进展,真正在微波段、毫米波段开展研究的时间并不长,因此要将涡旋波应用至现有通信频段内还有很多问题需要解决。本文在前人研究的基础上,对涡旋电磁波应用于无线通信时发现的一些关键问题进行了研究,主要包括基于均匀圆阵(Uniform Circular Array,UCA)的涡旋电磁波通信系统在实际应用场景下遇到的问题并提出相应解决方法,以及针对基于模式分集的涡旋电磁波系统在特殊场景下表现进行了研究。本文的主要创新点有:第一,在目前轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)领域的研究中,用单一天线孔径辐射多个OAM模式波是一个很有挑战且极具意义的工作,因此本文针对在自由空间中均匀使用单口径的UCA同时产生多个模态的解决办法做了研究,研究分为理论推导与仿真验证两个部分。首先在已知需要产生的具体模式数时,通过数学公式推导得出使用单口径的UCA中每个阵元需要馈送的功率及相位,然后通过MATLAB仿真得出同时产生的多个模态在同一个接收面上的相位分布,并与HFSS中建立的阵列模型在输入相同激励得到的电磁仿真结果进行对比,发现两者结果一致。相比于现有同时产生多个OAM模式的方法,该方式简化了发射端天线结构,主要包括减小了射频链路的数量以及满足了发射端天线单元还能尽量同时产生多模态涡旋波的要求,尤其是在多路涡旋波同轴复用的场景中有较好的利用。第二,针对较为理想状态的室内传输环境,鉴于同轴复用场景需要完美对准而极大的影响了OAM使用场景这一现状,本文采用模式分集的策略对OAM通信系统针对容量的影响做了研究。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)作为一种成熟的技术,不仅能提供阵列增益,还能提供分集增益,而OAM结合MIMO技术,在分集增益这一项还增加了模态这一新维度。此外,由于涡旋电磁波天然具有的发散特性,导致其直到现在也无法在远距离的传输中得以应用,但在短距离的传输下发散特性仍在可接受范围内,本文研究的是室内正属于LOS场景。在室内场景中分别建立了OAM和MIMO的确定性信道模型,通过MATLAB仿真比较了两者的系统容量,发现在使用OAM时比MIMO有更高的系统容量,为改善室内通信提供了一个新的思路。综上所述,本论文的研究主要包括利用单口径UCA克服了难以同时产生多个不同模式的涡旋电磁波的问题,并简化了OAM通信系统的发射端结构,以及提出了涡旋电磁波模式分集在特殊场景中的应用,做出了原创性的研究。研究成果为解决在实际应用中同时产生多模同轴涡旋电磁波的问题提供了建设性的方法,也对扩展涡旋电磁波的使用场景打开了一个新的思路。