电磁波的轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)是指电磁波的等相位面沿着传播方向呈涡旋状的物理形态。由于不同整数本征态之间的正交性,OAM在射频和光通信领域引起了广泛关注。作为一种新的自由度,其中最关键的问题是多模态OAM波的产生。本文以时间调制均匀圆形阵列(TMUCA)同时产生多模态OAM波为理论基础,研究TMUCA中OAM波束转向及多模态OAM的复用理论。主要内容概括如下:本文首先建立了TMUCA在谐波频率上产生OAM波束的理论模型,给出了一种用于生成OAM波的时间序列设计准则并分析了各谐波上的OAM波的特性。此方法通过控制连接到阵列单元上的开关来实现多模态OAM波的产生从而避免了使用昂贵的相控器件。通过仿真分析各个谐波上的幅度和相位特征,证明该方法确实能够在不同的谐波上产生不同模态的OAM波,验证了该方法的有效性。其次,本文给出了一种基于TMUCA的OAM波束转向方法。通过设计加载到开关上的时间序列,在谐波上生成OAM波的同时还能够对谐波上的OAM波进行波束转向。进一步,本文设计了一种工作于3.5 GHz的贴片天线来验证时间调制在OAM波束控制方面的有效性。结果表明,该方法不仅在各向同性的天线单元上有效,而且在实际的贴片天线阵列上也可以实现OAM波束转向。另外,与相控阵实现波束转向相比,该方法具有低成本、低复杂度等优点。最后,在同时产生多模态OAM波的基础上,本文建立和分析了基于TMUCA的OAM复用通信系统模型,并与传统的LOS MIMO系统进行了比较。在复用信道数相等的情况下,TMUCA系统能较低成本提供相同的信道容量。另外,随着信噪比和使用的天线单元数的增大,二者的系统容量也随之增加。而基于TMUCA的OAM复用通信系统在接收端利用不同OAM模态之间的天然正交性完成OAM的高效解复用而不需要复杂的数字信号后处理技术来消除信道间干扰。