如今,随着无线通信系统的发展,人们已经进入了5G时代。5G是第五代移动通信的简称。相比于前几代移动通信,其对天线的尺寸、工作频段以及信道容量等方面有着更高要求。针对5G及其网络,本文的研究对象是轨道角动量天线。轨道角动量天线是多输入多输出天线的一个能够实现最大信道容量的子集,能够生成具有轨道角动量分量的涡旋电磁场。不同模态的涡旋电磁场彼此正交,其模态可作为一个全新的自由度以提升波束抗干扰能力。因此,相应的轨道角动量天线具有在有限的频谱资源下进一步提升信道容量的能力,也能作为新体制雷达系统的重要部件来提高成像的分辨率。但是同时,现有的轨道角动量天线具有大尺寸、小带宽、有相位奇点等问题。针对这些问题,本文研究了紧凑型、宽带、无相位奇点的轨道角动量天线。主要工作内容如下:首先,提出了一种基于双层背馈式矩形贴片单元的2×2均匀圆形阵列用以生成三模态的涡旋场,并研究了该圆形阵列的尺寸对阻抗带宽的影响。通过分析,当圆形阵列的半径减小到0.46λ0,阻抗带宽约为8.5%且带内隔离度低于-20d B;当圆形阵列的半径减小到0.37λ0,阻抗带宽约为3.5%且带内隔离度低于-10dB;当圆形阵列的半径小于0.37λ0,阻抗带宽会显著较小。该天线的带内增益可达到7.2dBi。其次,提出了一种基于超材料特性的紧凑型2×2轨道角动量天线,以实现高带宽。该超材料特性是指利用周期的金属化通孔改变等效相对介电常数。利用4组3×4金属化通孔,矩形贴片单元间的距离能减小到2mm,并且相应的轨道角动量天线的端口隔离度仍然在其11.3-17.3GHz的带宽内低于-10dB,在13.9-14.5GHz的频率范围内低于-20dB,带内增益为8.02dBi。最后,提出了一种基于半模基片集成波导的紧凑型2×2均匀旋转圆形阵列,以实现高端口隔离度的无相位奇点的涡旋场。均匀旋转圆形阵列的相邻单元由于极化不同而具有高隔离特点;相对单元由于采用背靠背的基片集成波导结构也具有高隔离度。此外由于包含差分馈电结构,1模态的涡旋场不具有相位奇点。基于此,设计的天线工作于7.98-8.03GHz的频率范围内,带内隔离度低于-20dB。