电磁轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)是近年来电磁场领域的研究热点。原因在于,其可能成为一个新的信息调制维度,极大扩展电磁波承载和传递信息的能力。近三十年来,无论是在光学领域还是微波领域,OAM均受到了广泛的研究和讨论。携带有OAM的电磁波具有螺旋状的横向相位结构,因此又被称为涡旋电磁波或者涡旋波。由于不同拓扑电荷数的涡旋电磁波彼此严格正交,这些涡旋波可以在空间中互不干扰的独立传播。理论上不同模式的涡旋波可以形成互相独立的信道或者互相独立的观测,这一特性为其在通信或者雷达领域的应用提供了巨大前景。为了将涡旋电磁波应用于更广泛的物理系统,应该系统性地研究三个方面的内容,涡旋波的辐射,传播和接收。本文将从多个角度,采用多种方法对涡旋波的辐射问题进行系统地梳理和研究,提供涡旋波辐射的完整性方案和解决思路。本文首先归纳了目前已知的涡旋波辐射方案。主流的方法包括:螺旋反射结构(开口抛物面),螺旋透射结构(螺旋相位片),高次模辐射结构(微带高次模,介质棒天线等),环形天线阵列。目前涡旋波辐射结构均可以归结为以上四种方案,或者其变形。引入适当的相位差是其核心思路。在前人工作的基础上,本文主要希望解决,涡旋波辐射系统复杂,带宽受限,剖面过高,模式单一的问题。在不同的应用场景下,这些问题的优先级显然不同,但都在一定程度上制约了 OAM系统的应用范围。因此,为上述问题提供解决思路可以进一步扩大OAM系统的应用领域。论文的主要研究内容分别概括如下:第一,设计了一种无需移相的圆环天线阵列用以辐射涡旋电磁波。首先,详细分析了传统涡旋电磁波圆环天线阵的工作原理。在此基础上,推导了无需移相的圆环天线阵列辐射涡旋电磁波的工作原理,总结了无需移相的圆环天线阵列的典型特征。最后,以传统微带圆极化天线作为基础,设计制作了天线阵列样品进行仿真和实验验证。第二,主要介绍宽带电磁波自旋角动量和轨道角动量之间的耦合方法。首先,介绍自旋角动量和轨道角动量间耦合的物理机制和条件。然后,设计符合上述条件的超材料单元,并提取其等效电路结构,分析其频率响应以及宽带特性,总结优化方法和设计规律。最后加工实验样品,并将仿真与实验结果相比较。得到较好的效果。第三,介绍基于阻抗调制表面的涡旋电磁波天线。首先介绍阻抗调制表面天线的工作原理。其次,设计辐射涡旋电磁波所需的阻抗分布,然后通过金属缝隙结构实现上述阻抗分布。最后进行仿真实验验证设计理论。第四,介绍多模式涡旋电磁波的辐射方法。首先介绍基于超表面的辐射场综合方法。然后基于谐波展开法,随机交织法等多模式多波束的涡旋电磁波辐射方案。其次,分析在偏轴传输,多径效应等情况下,发生的涡旋波模式色散现象。最后,介绍单波束多模式混合涡旋电磁波辐射方案,并通过样品加工和实验测试验证相关设计理论和方法。