随着无线通信的发展,涡旋波逐渐进入人们的视野,自从在光学中发现轨道角动量以来,光轨道角动量被广泛应用于光通信中,轨道角动量也逐渐应用到了射频领域。由于涡旋波模式的无限性和模式之间的正交性,它可以被用于信号复用中,频谱效率和通信能力可以被大大提高,因此设计产生涡旋电磁波的天线成为研究热点之一。然而,现阶段涡旋电磁波的自由度与复杂度不高,对模态的利用程度不高,因此本文从螺旋天线入手,设计了两款用于产生涡旋波的螺旋天线。本文研究的单臂螺旋天线可以产生整数阶和分数阶的轨道角动量,双臂螺旋天线可以形成模态的梳状谱图,使得涡旋电磁波的模态具有多样性。本文的主要工作和贡献如下:1.我们利用公式推导了单臂螺旋天线产生涡旋电磁波的基本原理,并利用该原理设计了一款单臂螺旋天线,可用于产生具有整数阶和分数阶轨道角动量的涡旋电磁波。我们首先在HFSS软件中进行优化,得到天线的尺寸,同时阐述了阻抗匹配的基本原理,分析了天线的电流分布图、驻波比、E面和H面的方向图以及场分布,并计算了天线发射的涡旋电磁波的模式纯度,在MATLAB软件中进行了纯度的仿真。仿真结果显示了天线辐射的波束的模式有整数阶与分数阶的特性,验证了单臂螺旋天线可以产生整数阶和分数阶轨道角动量。最后我们加工了天线,并利用矢量网络分析仪和微波暗室对天线进行了测试,结果与仿真基本一致,证明了单臂螺旋天线产生整数阶和分数阶轨道角动量的可行性。2.我们利用公式推导了双臂螺旋天线产生涡旋电磁波的基本原理,并利用该原理设计了一款双臂螺旋天线,可用于在一个频点下同时产生几个模态叠加的涡旋电磁波,并且这些叠加的模态等距分布,从而形成一个梳状的模态谱图。我们首先分析了天线的馈电,在馈电网络的基础上设计了双臂螺旋天线,利用HFSS分析了天线的电流分布图、驻波比以及场分布,并在MATLAB中仿真得到了天线产生的涡旋电磁波的模式纯度,验证了天线的性能。接下来,改变天线的节距,分析涡旋电磁波的模式纯度的变化,结果显示在节距合适时,双臂立体螺旋天线在单个频点下均可同时产生多个模态叠加的涡旋电磁波。我们还探究了观察平面的位置对涡旋电磁波的模式纯度的测试结果的影响,分析结果显示观测面位置的偏移会对涡旋波模式纯度的测试带来测试误差,因此在进行纯度测试时不能忽视观察平面位置的偏移对天线测试的干扰,应尽量保证观测面位置与天线对准。