轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)作为电磁波的一种固有属性,为信息调制提供了新的物理维度。由于OAM具有无穷多种相互正交的模式,可以提升无线通信的容量和频谱效率,近年来引起了众多学者的广泛关注。在OAM的研究过程中,OAM波束的产生和汇聚尤为重要,灵活的产生多个模式和相对收敛的波束对OAM的应用也起到关键作用。本文围绕OAM特性,在多模式OAM波束的产生、旁瓣抑制和波束汇聚等方面展开研究。首先,本文介绍了课题的研究背景及意义,概述了轨道角动量的研究进展,总结了现阶段OAM波束的产生和汇聚方式。接着介绍了轨道角动量的原理及检测方法,梳理了涡旋电磁波(Vortex Electromagnetic Wave,VEM)的特性,并对基于相控圆阵的OAM波束产生进行了理论及仿真分析,为后续研究提供理论支撑。其次,建立了单环时间调制圆阵的理论模型,并提出了一种用于产生多模式OAM波束的时间调制序列设计准则,仿真结果表明了该方法可以在中心频率和谐波频率上同时辐射多种模式。在此基础之上,提出了多环时间调制圆阵产生OAM波束的方法,设计了均匀导通时长和非均匀导通时长的时间序列,并对比分析了两种时间序列下的方向图、幅度分布和相位分布。随后,针对方向图旁瓣电平过高的问题,提出了基于方向性阵元和多环时间调制圆阵时序优化的两种旁瓣抑制方法,有效抑制了不同模式OAM波的峰值旁瓣电平(Peak Side-Lobe Level,PSLL)。最后,研究了不同模式和传输距离下的OAM波束发散特征,分析了中心频率、阵列半径和阵元数目等阵列参数对波束发散性的影响。此外,提出两种用于汇聚OAM波束的方法。第一种方法是采用多环相控圆阵,通过设计各层圆环半径,将不同模式波束的发散角汇聚到指定角度。第二种方法是采用多环时间调制圆阵,在给定阵列最大半径和相邻圆环最小间隔等约束条件下,通过利用遗传算法(Genetic Algorithm,GA)优化不同圆阵的半径、阵元激励幅值和导通时长,以减小波束发散角为优化目标,实现了对指定模式的OAM波束汇聚。