电磁波成像技术作为一种无损的物理检测方法,近年来,在生物医学等领域得到了广泛应用。目前为了进一步提高成像检测系统的性能,亟需引入一种新的高分辨率电磁波成像技术。轨道角动量(OAM)是电磁波的重要物理特征之一,其中,携带轨道角动量的电磁波被称为涡旋电磁波。近年来,轨道角动量被提出应用在电磁波成像系统技术中,涡旋电磁波的独特的相位特性使得可以获得更多的目标信息。因此,轨道角动量具有重要的研究价值和应用前景。射频天线作为电磁波成像系统中的重要设备,其性能直接影响成像效果,为了获得准确的成像信息,所设计的射频天线必须要有优良的辐射性能。本论文主要设计可用于产生涡旋电磁波的天线结构,并对天线性能进行优化,以及通过仿真分析、实测测试来验证天线设计的合理性、准确性。本文的主要研究内容包括:(1)一种单臂阿基米德螺旋天线结构的设计与优化。通过圆形行波OAM天线理论和阿基米德螺旋天线高阶模理论可知,阿基米德螺旋天线具有产生OAM的潜力,仿真结果表明该天线可以产生涡旋电磁波,且产生的涡旋电磁波的OAM模式在频率上是可重构的。(2)基于内外臂馈电的双臂阿基米德螺旋天线的设计与优化。该天线主要用来产生携带多OAM模式的涡旋电磁波,且该结构的对称性使得所产生的OAM波束具有优良的对称性,且锥形腔的加载使得天线增益高达6.5dBi以上。经理论分析、仿真和实验验证可知,该种涡旋电磁波天线产生的OAM模式在频率上是可重构的,且通过对馈电位置的切换,可在同一频率产生两种不同的OAM模式。(3)基于嵌套结构的平面螺旋天线的设计与优化。通过控制端口的馈电方式,该天线可在同一频率产生三种OAM态。同时,添加的金属反射板不仅可以增强天线定向性,还可以将射频同轴电缆与顶层微带螺旋隔离开,尽可能地减少了射频同轴线对天线性能的影响。此外,本文还研究了基于该天线结构的OAM模式检测方法,提出了基于携带与待检测OAM模式相反的拓扑荷的无源结构以及基于OAM模式发射和接收传输系统的两种检测方案,两种方案都可以成功检测OAM模式。