为了进一步提高频谱利用率,近年来,轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)作为一种新的自由度,引起了学术界的广泛关注。携带轨道角动量的电磁波波前具有独特的空间分布,可利用不同模式进行编码,或结合现有复用技术,提升通信系统容量,体现了在调制和复用技术上的潜在应用价值。超表面(Metasurface)通常由亚波长单元组成,对电磁波具有良好的调控能力。本文基于反射型超表面,对涡旋电磁波的产生及其发散特性展开研究。将超表面的基本理论和概念应用于涡旋电磁波的相关研究中,为涡旋电磁波的有效产生提供新思路。论文的主要内容和研究成果如下:1.提出了一种能在超宽频带内产生单模涡旋电磁波的超表面。超表面由不同臂长有序排列的加载型箭头单元构成,将入射平面波转化为涡旋电磁波。仿真结果表明,经该超表面反射得到的电磁波为18GHz到42GHz频带内的单模涡旋电磁波。2.基于单模涡旋超表面的设计原则,进一步提出了一种能同时产生多模涡旋电磁波的超表面。超表面由不同臂长、沿圆周等距排列的加载型箭头单元构成,采用平面波作激励源,仿真实现了18GHz到42GHz的超宽频带内多模涡旋电磁波的产生,与理论分析保持一致。3.设计了一种能够在X波段产生涡旋电磁波并减小涡旋电磁波发散程度的涡旋聚焦超表面。超表面由变尺寸型双层矩形金属贴片单元构成。超表面引入的相位由涡旋相位和聚焦相位叠加形成。仿真结果表明,在8GHz到12GHz的频率范围内,涡旋聚焦超表面反射产生的涡旋电磁波的发散角比同样规模的涡旋超表面反射产生的涡旋电磁波的发散角有约40%左右的减小。仿真结果证明了所设计的涡旋聚焦超表面具有高效的汇聚效果,验证了理论分析的正确性,为减小涡旋电磁波的发散程度实现远距离传输提供了一条有效的途径。