自从上世纪90年代初,电磁波轨道角动量的应用受到了越来越多的关注。带有轨道角动量的电磁波具有螺旋形的等相位面,产生不同模式的轨道角动量电磁波的原理就是产生不同相位分布的电磁波。利用不同的相位延迟方法,可以设计出不同种类的轨道角动量电磁波天线。在理论上电磁波轨道角动量有无限种不同的模式,而且这些不同的模式之间相互正交。本文研究电磁波轨道角动量的产生及其应用,主要包括以下六方面内容:1.分析了电磁波的角动量,可以分解为自旋角动量和轨道角动量,其中自旋角动量代表电磁波的极化;量化了电磁波的轨道角动量模式,分析了轨道角动量电磁波的辐射特性和模式传播特性;计算了轨道角动量电磁波在不同环境下的多径效应对辐射特性和轨道角动量模式的影响。由于电磁波的角动量是衡量电磁波扭矩的度量,天线辐射的电磁波相对于辐射中心有最小的角动量,因此可以利用电磁波角动量计算天线的辐射中心,计算结果与天线实际位置有较好的一致性。2.研究了电磁波轨道角动量增加无线通信系统信道容量的原理,即利用轨道角动量电磁波的空间多样性提供信道容量。通过轨道角动量模式的计算,证明了二单元天线阵列是不能用于产生带有轨道角动量的电磁波。在不使用信号后处理的情况下,根据分析的轨道角动量电磁波的空间多样性原理,设计了一个通信系统可以实现二单元天线阵列的空分复用,证实提出的通信系统可以同时传输两个不同的数字信号,信道之间交调小于-12 dB。3.实现了利用空间延迟产生轨道角动量电磁波。利用空间延迟,设计了螺旋阵列,可以传输带有不同模式的轨道角动量电磁波。另外,利用空间延迟结合相位延迟,提出了十字阵列,可以同时在四个方向产生带有轨道角动量的电磁波。在实验中,设计并加工了 l=1和l=2的螺旋阵列和十字阵列,所有阵列的仿真和测试的回波损耗,方向图,通信误包率表明空间延迟确实可以产生带有轨道角动量的电磁波,并且空间延迟是产生轨道角动量电磁波的另一自由度。4.提出了宽带轨道角动量复用的概念,使用宽带相移器产生了带有不同模式的宽带轨道角动量电磁波。设计并加工了带有l=1和l=-1的2.1-2.7 GHz的宽带双极化双轨道角动量模式天线。利用所提出的宽带双极化双轨道角动量模式天线组建了通信链路,通过两种不同的极化模式和两种不同的轨道角动量模式,共产生四个独立的信道,信道的传输距离为2.5米,各信道之间的交调低于-13.3 dB。在信噪比为24 dB的情况下通信速率为4.8 Gbit/s,解调信号误码率低于3.5×10-3,频谱效率为8 bit/s/Hz。5.设计了轨道角动量模式可重构天线,实现了利用摇控控制天线产生l=1或者l=-1的轨道角动量电磁波。仿真和测试的回波损耗,近场电场,远场方向图,轨道角动量模式正交性表明所提出的轨道角动量可重构天线可以产生l=1或者l=-1的轨道角动量电磁波。利用轨道角动量模式可重构天线,提出了轨道角动量模式编码的概念,并且利用所提出的天线实现了轨道角动量模式l=1对应符号0、l=-1对应符号1的轨道角动量模式编码和解码。6.探讨了利用具有旋转极化独立性的轨道角动量超表面观察旋转多谱勒效应的可行性,该超表面在旋转的时候可以产生带有轨道角动量的电磁波。从反射相位的角度来看,一个螺旋桨可以被等价于一个轨道角动量超表面。一个旋转的螺旋桨不但有旋转的速度而且有平移的速度,分别可以产生旋转多谱勒效应和传统多谱勒效应。最后实现了利用相反模式的轨道角动量电磁波的旋转多谱勒效应测量螺旋桨的旋转速度。通过对电磁波轨道角动量及应用的系统深入研究,丰富了电磁波轨道角动量的应用理论及方法,为实际工程应用奠定了基础。