随着5G通信技术研发的不断深入，人们对于未来高速通信在物联网方面的赋能作用充满了期待。相比于传统的平面或球面电磁波，携带轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)的涡旋波束其波前不再是传统的平面或者球面，而是呈现为一种螺旋前进式的波前。理论上，携带不同拓扑荷的OAM波束之间相互正交，从而不产生干扰。基于这种正交特性可以在不额外增加频率带宽的情况下，通过将信息加载于携带不同拓扑荷的OAM模式上，从而在同一信道内独立传播而不产生串扰。传统激发OAM波束的方法一般为利用螺旋相位板或者天线阵列的方法，它们普遍难于加工抑或是损耗较大。作为一种二维结构，超构表面能够在亚波长周期结构中引入相位突变，构造空间相位分布函数从而实现对电磁波波前相位的调控，为微波波段上OAM的激发提供了一种新的理论方法。传统的超表面与馈源分离的方法可以实现OAM波束高效激发，但是这种方法存在两种弊端：1.对于反射型超表面来说，馈源天线的存在会对激发的OAM波束造成一定程度的遮挡，从而影响模式纯度；2.为了激发含有OAM模式的高阶贝塞尔波束，必须将天线置于焦点处，这就造成了很大的体积消耗。本文主要针对OAM波束增益低、传统OAM波束激发器件难于技工和超表面与馈源分离造成的OAM波束激发系统体积过大和天线对波束的遮挡这些问题进行研究和改进，提出集成馈电型超表面实现对OAM波束的激发。 首先，设计了两种超表面单元，第一种为1-bit相位调制单元，第二种为优化后的全相调制超表面单元。1-bit相位调制单元可以实现将入射电磁波进行极化翻转，并将交叉极化波进行1-bit相位调制；全相调制的超表面单元在实现电磁波极化翻转之外还可以对交叉极化波进行360°全相调制。为了能够实现超表面与馈源的集成化，设计了两种低剖面的天线，分别为SIW缝隙天线和宽带的微带天线，利用广义斯内尔定律计算得到的相位分布进行超表面排布并与天线进行集成，仿真结果表明，集成馈电型可以实现OAM波束的激发。 其次，通过分析OAM波束的远场分布，利用粒子群算法设计了优化了一种高增益的超表面天线，通过馈源天线增益的提高实现了OAM波束在远场增益的优化。研究了携带OAM模式的高阶贝塞尔波束汇聚角度与远场增益方向图的关系，通过改变高阶贝塞尔波束的汇聚角度实现了OAM波束远场增益方向图的优化，最后实现了在10GHz频点处17dBi的增益和在E面-16.5dB的副瓣电平。实验测试结果与仿真计算结果吻合较好。 最后，针对OAM波束只在远离馈源的地方会有比较好的相位和幅度分布这一缺点，根据阵列天线的相关理论，通过在超表面上引入幅度调控，从而实现在距离馈源10?内的OAM波束相位和幅度分布相比引入幅度调控之前的OAM波束更均匀。通过琼斯矩阵的推导，在理论上证明了幅度和相位相互独立的超表面单元的可行性，进一步设计了反射型和透射型幅度控制超表面单元。利用切比雪夫综合法计算得到整个幅度控制超表面的幅度分布，进行幅度控制超表面的阵列排布，仿真结果表明，在引入幅度控制后OAM波束在距离馈源很近的近场区(距离馈源10?内)OAM相位和幅度分布更加均匀。 综上，本文首先实现了OAM波束的高纯度激发，在仿真和测试中都可以获得纯度较高的OAM波束，进而引入超表面的幅度控制，通过仿真模拟，我们可以利用幅度控制超表面激发出相较于单纯相位调制的超表面纯度更高和电场分布更加均匀的OAM波束。
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