携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的电磁波凭借涡旋相位分布和模态正交性等优势,在无线通信、雷达探测与电磁传感中具有较大的潜力。但传统OAM波束存在波束发散性、传播路径上的黑洞以及不同模态发散角不一致等问题,在实际应用中难以实现多个OAM模态的复用。基于上述问题,本课题组提出平面螺旋轨道角动量(Plane Spiral Orbital Angular Momentum,PSOAM)的概念。不同于传统的 OAM 波束,PSOAM 波束被压缩到一个二维平面内并沿径向传播,解决了难以叠加的问题。现有产生PSOAM波束的天线尺寸大、馈电网络复杂,在一定程度上限制了 PSOAM的应用。本文主要研究PSOAM天线的小型化和集成化,产生多模PSOAM波束,在此基础上研究基于多模PSOAM叠加的结构电磁波的特性及应用,如波束赋形和波束扫描。论文设计了一种紧凑的基于基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)的多模PSOAM天线。该天线由多个SIW环形谐振腔叠加而成,不同模态的环形谐振腔沿天线的中心面上下对称分布,可产生l=±1,±2,±3,±4,±5,±6模态的PSOAM波束,中心频率为10 GHz。每个环形谐振腔使用四点正交馈电,实现单模态PSOAM波束的发射。基于环形谐振腔理论,对同轴馈电的单模PSOAM天线进行相关的理论计算及仿真分析,验证其产生PSOAM波束的可能性。为了更加方便地调节各个模态的PSOAM波束,减少馈电点的数目,论文设计了基于T结构的并联馈电以及基于环形结构的串联馈电两种方式实现一分四的功分移相功能。结果表明,利用馈电网络馈电同样可以产生多个PSOAM波束。但相较于同轴馈电的情况,由于馈电网络本身存在误差,其激励产生的PSOAM波束性能存在一定程度的下降。在单模PSOAM波束仿真结果和实验测量的基础上,本文对基于OAM的波束赋形及波束扫描进行了探讨和研究。将不同模态的OAM波束看作是电磁波的一组完备正交基,通过有效叠加不同OAM模态的波束即可实现结构电磁波的产生。根据多模PSOAM波束均沿径向传播和SIW结构紧凑的特点,利用本文提出的堆叠式SIW天线结构可以实现不同PSOAM模态的叠加,产生高指向性的结构化波束。此外,通过按规律调控各个模态馈电信号的相位,结构化波束在二维平面内能实现360°无畸变扫描功能,为结构电磁波在无线通信、雷达探测等领域中的应用提供更大的可能性。