频谱资源短缺和频谱利用率低等问题一直限制着通信技术实现更大突破。为了缓解未来无线通信所要面对的种种困难,寻找可以快速提高频谱利用率的新型微波通信技术已成为一个迫切的问题。轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)这种技术不同于时间、码型等传统频谱复用技术,这种新的调制方式主要是利用OAM不同模态的正交性来实现同一频段内多束OAM涡旋波的同时传输,有望成为解决频谱利用率低的有效方法。本文主要将OAM相关理论与阵列天线设计的原理相结合,提出了多种OAM天线的具体设计方案,然后对所设计的不同OAM天线进行分析与研究。该论文的主要研究内容以及创新点可分为如下三个部分:(1)阵列天线是微波段产生OAM涡旋波束的常用方法。本文首先从理论上解释和推导了阵列天线产生OAM波束的原因,为下文的OAM天线设计奠定了理论基础。然后利用环形相控阵列天线模型和它的辐射原理,设计了工作在5GHz无线频段的环形OAM阵列天线和相应的馈电网络。最后,对环形OAM阵列天线进行了相关性能参数的分析,同时也探究了其产生的OAM涡旋电磁波的特性。(2)本文提出了利用介质谐振器天线(Dielectric Resonator Antenna,DRA)生成OAM波束,这种天线优点较多,有助于OAM阵列天线的良好设计。然后对所设计的DRA阵列天线的相关性能参数仿真优化并进行了相关分析与探究,发现具有合理馈电位置的DRA阵列天线对减小OAM波束的中央空域问题有一定帮助。最后,研究了不同天线馈电方法对阵列天线产生的OAM涡旋波的影响。研究发现,合理的天线馈电方式在一定程度上可以减少中央空域扩张问题,有助于产生稳定的OAM电磁波束。(3)本文将OAM频谱复用技术与超宽带DRA工作原理相结合,设计出了新的高频微波段超宽带OAM天线,实现了在Ku、K和Ka三个频段上的工作。不仅展现了 OA]M天线超宽带的性能,而且也体现了 OAM这种新技术提升频谱利用率的能力。同时在OAM天线的仿真探究过程中,发现所设计的超宽带OAM天线,在不同频率点产生相同OAM模态的电场增益图的幅度基本上不变,这也从侧面反映了其能量集中性基本保持一致,证明了所设计的超宽带OAM天线具有一定的适用性。