随着数字媒体的快速发展,密集编码和信道共享技术已不能满足频段通信的增长,MIMO技术的提出很大程度上缓解了这一窘境。而微波光子学,作为一个新型的通信领域学科,利用光学系统特有的低损耗,大带宽的巨大优势进行微波信号的传输和处理,可以有效的提升信道容量。光控波束形成技术作为微波光子学的主要研究内容之一,结合了 MIMO系统中多天线技术,保证了高速宽带信号处理的同时能够有效的与现有的通信、雷达系统相融合。因此,光控波束形成技术成为了当今的一个研究热点,而其衍生出的射频涡旋波也在微波通信、相控阵雷达和多维探测等领域均有广阔的应用前景。目前完整的光控波束形成系统主要包含三块:首先是光控延时或相移模块,用于产生并控制波束,实现波束形成。同时,涡旋波束(OAM)等特殊波束形成效果也是在该部分产生的;其次是辐射天线阵列,只有将多路具有延时或相位关系的信号同时发射出去,才能实现波束形成这一功能。最后,则是结合两者之间的光电转换驱动模块,旨在提升系统效率,弥补光电链路转化间的误差。前两块为系统的核心技术问题,因此针对这两个主要问题,本论文对光控波束形成系统原理与结构作了深入研究。提出了新的设计方案,并对系统实际应用中涡旋波的使用做了实验与分析。论文的主要创新点如下:1.提出了一种光子集成下的延时移相方案。该系统方案创新的使用了具有波导阵列光栅(AWG)结构的光子集成芯片,同时实现了延时和相移两种功能,可以服务于波束形成系统和涡旋波的应用。其中,延时功能可以12.5ps范围的延时,而移相功能可以实现12-20GHz射频信号从0到360°的连续可调相移。在系统实验中使用该芯片实现了波束形成,并对使用该芯片生成的射频涡旋波信号进行了仿真分析。2.提出了一种新型的涡旋波多模态耦合传输模型。该模型研究了多个OAM模态耦合传输模式下的涡旋波传输,发现在正负态耦合叠加时,涡旋波信号精度有所提升,且对天线阵元数量的要求降低了。利用这一特性,我做了双模态与单模态的对比传输实验,通过相同的传输环境,对涡旋波信号进行解调。经过实验验证系统,相同位置处单个模态涡旋波信号功率提高了3dB,信噪比也有所提升。3.针对光控波束形成系统设计了一种新型贴片天线。为使光控波束形成系统更加适用于现在的通信及雷达探测系统中,对系统所使用的天线阵列进行了重新的设计。该天线设计采用多层结构,融合了缝隙耦合和内部耦合的馈电方式。仿真结果表明,该天线设计能够有效提高带宽,从原本的2%提升到5%以上。并且该天线设计可以工作在多个频段,易于成阵,能够用于射频涡旋波的控制系统中。4.实现了射频涡旋波对转动物体角速度的测量。本实验方案中提出一种相位的“累积放大法”,对频率偏移进行了测量,进而得到了物体角速度。目前涡旋波探测只应用于光学领域,均是利用涡旋波的转动多普勒效应,对转动物体的角速度进行测量。光涡旋波系统可以通过光电探测器直接测量多普勒频移,但在射频系统中无器件支撑,只能寻求其他测量方式。为了解决这个问题,使用新提出的“累积放大法”来测量相位变化,并构建涡旋波空间相位和多普勒频移间的关系。使用射频涡旋波探测系统,成功的测量了频率偏移并计算了物体转速。