涡旋电磁波作为一种新机制,在同一频率可携带无穷多种轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)模式,并且各OAM模式彼此正交。利用这种正交性,将涡旋电磁波作为信息传输的载体应用于无线通信,可以实现同时同频的多路传输,将有望解决现有无线通信频谱资源日益紧张以及通信速率有限等问题,为高速率、大容量、高性能的无线通信提供解决思路。将涡旋电磁波应用于无线通信,首先需要产生涡旋电磁波。由此,本文致力于研究一种简单易行,可高效产生多种OAM模式的涡旋电磁波产生装置,探索涡旋电磁波在无线通信中的应用。本文的主要研究内容为:1)概述了OAM基本原理及涡旋电磁波的结构、特性;详细分析了圆环阵产生涡旋电磁波的基本理论,只需改变天线单元的激励相位就可产生所需要的OAM模式,各模式独立可控、实现灵活。2)采用CST仿真软件对三种不同单元形式的圆环阵产生单个OAM模式的涡旋电磁波进行建模仿真,验证了圆环阵产生涡旋电磁波的基本理论;基于单个OAM模式的实现方法,研究可高效产生多个OAM模式的涡旋电磁波装置,并以双层矩形贴片圆环阵和三层单极子圆环阵为例,分别给出了实现多个OAM模式涡旋电磁波的方法及模型。3)以充分的数值模拟实例为基础,详细分析了OAM模式数、阵元数量、阵列半径以及阵元的初始相位等参数的影响;综合考虑各方面因素,设计了工作于X波段、可高效产生多个OAM模式涡旋电磁波的三层圆环阵,仿真分析了不同工作状态下的电场相位分布、远场方向图及远场相位特性。4)为满足三层圆环阵各天线单元所需的激励条件,分别设计了工作于X波段的6路、8路、12路功分器以及功率比为6:8:12的3路不等分功分器,并对各功分器性能进行了测试,实测结果与仿真基本吻合;由功分器与移相线组成馈电网络,对三层圆环阵进行整体性能测试,针对其工作状态,分别测量了归一化方向图与相位性能。三层圆环阵七种工作状态下的方向图、相位实测与仿真结果都具有较好的一致性,且结构简单,可高效实现多个OAM模式的涡旋电磁波,为涡旋电磁波在高速率大容量无线通信中的应用进一步奠定基础。