无线通信和人类的生活息息相关。随着智能终端的普及和移动互联网的飞速发展,人们对数据传输速率的需求呈指数级不断提升,如何进一步提高通信容量一直是无线通信领域迫切需要解决的问题。轨道角动量(OAM)作为电磁波的一项基本属性,近年来引起了众多学者的广泛关注。由于携带不同轨道角动量的电磁波之间是完全正交的,轨道角动量可以作为一个新的维度来携载信息,并具有提升通信系统容量的潜力。在射频领域,由于携带轨道角动量的涡旋电磁波具有不可避免的波束发散性和中心相位奇点问题,在实际通信系统中对其接收和解调提出了巨大的挑战。在接收端天线口径有限的情况下,不同态的涡旋电磁波之间的正交性会被破坏,通信容量并得不到提高。本文从电磁波的轨道角动量的物理原理出发,分析了射频轨道角动量电磁波的发展和研究现状,针对其特有的发散和相位奇点问题,提出了一种新型的涡旋波束,即平面螺旋轨道角动量电磁波(PSOAM)。这种波束沿平面传播,不同态波束的发散角一致,可有效避免相位奇点问题。本文对平面螺旋轨道角动量电磁波的产生方式、传播特性和潜在应用进行了详尽的研究和细致的阐述。本文首先提出了产生平面螺旋轨道角动量电磁波的三种天线的理论模型:环形行波天线、同轴谐振腔天线和回音壁模式介质谐振腔天线,天线的仿真和实验结果也验证了产生的波束不仅保持了涡旋波束的特性而且是沿平面传播的。在阐述了平面螺旋轨道角动量电磁波的相关机理和优势之后,本文提出了 一系列基于这种电磁波的潜在应用,分析了相关应用的理论模型并进行了实验验证。第一,将平面螺旋轨道角动量电磁波和现有的多输入多输出通信系统(MIMO)相结合,提出了一种新型的基于平面涡旋波束的多入多出系统(PSOAM-MIMO),首次了证明利用了射频轨道角动量波束的无线通信系统可以提升通信系统容量。我们对这个系统在直射信道和非直射信道下的系统性能分别进行了详细的分析,进行了相关实验,实验结果与理论分析吻合,验证了模型的正确性和系统的可行性。第二,将多个不同态的平面螺旋轨道角动量电磁波组合进行波束赋形(PSOAM-BF)。相比于传统的相控阵波束赋形的方法,利用平面螺旋轨道角动量电磁波进行波束赋形具有馈电网络简单、扫描时波束形状固定、合成的波束仍具有正交性、有希望继续增加频谱效率等优势;本文详细研究了影响波束形状的相关参数并进行了实验验证。平面螺旋轨道角动量电磁波作射频轨道角动量波束的一种,具有实现简单、各态方向性一致、链路估计一致等优势,能够和现有的多入多出系统相结合,实现更好的系统性能,在未来的无线通信网络和雷达系统中有着广泛的应用。