随着多媒体服务的爆炸式增长以及移动互联网应用的蓬勃发展,容量需求与频谱资源短缺的矛盾日益突出。轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)作为一个新的传输维度,能够在同一频带同时传输多路信息,可以有效地解决频谱资源短缺的问题。在此背景下,本论文以基于均匀圆阵的涡旋电磁波为研究对象,主要研究了OAM无线通信系统中的两个关键问题:时间调制阵列中任意模态涡旋电磁波的产生及优化问题,多模涡旋电磁波通信中模式串扰的问题。1.本文提出了一种基于时间调制的均匀圆形阵列(Time-Modulated Circular Array,TMCA)生成任意模态的涡旋电磁波的方法,并对其进行波束调向(Beam Steering,BS)的方法。首先,从理论上推导了 OAM波束产生的原理,即通过合理的设的射频(Radio Frequency,RF)开关的打开顺序和每个周期方波的占空时间,使得TMCA不仅能够生成整数阶OAM波束,而且还能生成分数阶OAM波束。其次,证明了只要满足一定开关打开条件和不同阵元上的占空条件,TMCA的非顺序打开射频开关和顺序开关一样,都可以产生OAM波束。尽管可以采用非顺序开关来生成OAM波束,但理论上,开关顺序排序在最小化发射功率消耗方面是最佳的。用TMCA产生整数阶和分数阶OAM波束时,还可以通过控制射频开关,对产生的OAM波束进行波束调向。最后提出了一种基于时间调制的均匀圆形阵列的特殊情况,即圆周运动的单天线产生涡旋电磁波的方法。2.本文研究了基于均匀圆形阵列(Uniform Circular Arrays,UCA)的多模OAM通信的等效信道模型。当发射端与接收端正对准时,等效信道矩阵可以相似对角化,这意味着在接收端不存在OAM模式间的串扰。当发射端与接收端非对准时,由于存在OAM模式间的串扰,通信系统的性能会快速下降。如果仅仅增大UCA阵列的天线数,比如大规模天线,模式间的串扰仍然存在。但是在接收端进行波束调向处理,将有效消除OAM模式间的串扰,使得调向后的等效信道矩阵可以相似对角化。在描述通信系统性能时,我们定义了多模OAM通信的信干噪比(Signal-to-Interference and Noise Ratio,SINR)来对模式间串扰程度进行直观的定量分析。最后通过仿真实验发现波束调向可以消除模式间串扰的影响从而大大提高多模OAM通信系统的性能。