随着互联网和智能终端的兴起,移动通信的业务需求急剧增长,对无线通信系统的数据传输速率、传输延迟、吞吐量等指标的要求也不断提高。然而紧缺的频谱资源和传统调制技术的限制使得现有的无线通信技术无法满足社会发展的需要,因此在微波毫米波频段深入挖掘无线通信技术的潜力对新一代通信系统的发展具有重要意义。传统调制参数如频率、幅度、极化、相位等已经得到较为充分的开发利用,难以进一步提升频谱效率。轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)是电磁波的基本属性之一,反映电磁波的空间相位分布。它的应用可为电磁波的复用与调控提供新的物理参数维度,给传统电磁领域带来新的契机。目前OAM的研究工作大多集中在光学领域,射频领域还有许多问题亟待解决。本文围绕电磁波轨道角动量特性,重点探讨射频域轨道角动量波束的多种产生方法及其在传统电磁领域新应用中的关键技术,从理论分析到实验验证,系统研究了射频OAM波束的特性及潜在的应用场景,为OAM波束的实用化提供可行的解决方案。论文提出了 一种基于环形行波天线产生OAM波束的新方法,旨在用连续源代替分立源,解决基于环形阵列天线产生OAM波束存在的主要问题,如馈电复杂、模态受限及相邻单元间的耦合等。通过与周向环形偶极子阵列的等效模型辐射场进行比较,理论上验证了环形行波天线产生OAM波束的可能性。在该方法指导下,设计了一种基于环形行波谐振腔结构,馈电简单的OAM缝隙天线。应用波导理论研究了天线的谐振模式,分析了天线的尺寸结构、辐射方式和激励模式对OAM波束产生的影响,总结出这种基于环形谐振腔缝隙结构天线的设计原则。另外通过在环形行波谐振腔缝隙天线的外围加上环形喇叭,获得了具有平面螺旋结构的准二维OAM波束,有效解决传统OAM波束中心相位奇点、不同波束发散性不一致等问题,拓展了 OAM波束在传统电磁领域的应用。为了实现OAM天线的小型化、集成化,利用基片集成波导(SubstrateIntegratedWaveg-uide,SIW)技术实现了 平面结构上的 OAM 波束产生。在环形谐振腔结构的基础上,通过基片集成波导和金属波导的等效,设计并验证了基于半模基片集成波导技术的OAM模式复用天线。将多个谐振腔在平面上叠加设计以缩减尺寸并复用不同模态,近场和远场结果表明天线在10 GHz产生了模态l= ±2和土6的OAM波束。利用超表面等新型电磁器件设计手段实现了 60GHz上的OAM波束产生和聚焦,相比传统螺旋相位板借助平面透镜进一步减小了波束发散角。通过分析多层相移表面结构尺寸对传输参数的影响,设计了一系列单元结构,在覆盖2π的相移范围的同时减小损耗。基于相位叠加原理,将单元结构排列形成叠加平面透镜的新型螺旋相位板,在产生的同时对波束聚焦,得到了模态l=1的OAM波束。在各种OAM波束产生方法基础上,开展了 OAM波束在计算成像和波束赋形方面的新应用研究。基于压缩感知原理,利用不同模态OAM波束的特殊相位分布和正交性构成测量矩阵,稀疏场景的信息重构能够在测量次数有限的情况下通过求解优化问题计算得到。据此设计了基于平面OAM波束的成像实验,在10GHz单频利用12个平面OAM模态辐射场和散射回波得到了环形区域的散射体位置信息,方位角分辨率为2°。由于轨道角动量波束具有不同空间相位分布,可以看成电磁波的一组完备正交基。基于这一原理,利用平面OAM波束的有效叠加实现了电磁波二维平面的波束赋形和波束扫描。首次从理论和实验两个方面提出并论证了 OAM波束作为本征模实现电磁波调控的可能性,对模态群组的参数调控能够控制合成波束的波束宽度、主瓣数目和波束指向等性质,为OAM波束在雷达和通信中的应用提供新的思路。