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自《电磁通论》发表之日起，无线通信技术研究已有近150年的历史。在此期间，无线通信领域先后出现了频分复用与电磁波空分复用等技术。这些通信技术的应用，极大地提升了通信系统的性能，并使得信息得以更大范围的快速传递。各类通信系统的应用推动了人类社会的经济、文化发展。面对未来海量数据传输对通信系统性能的要求，需要为通信系统提供更宽的可用频带或更高的谱效技术。
根据香农信道容量定理与电磁动量学理论，可从两个方面着手提升通信系统的信道容量，其一，开发太赫兹频段应用技术，为通信系统提供更宽可用频带，这一技术的发展面临器件制造与环境评估等诸多因素的限制；其二，基于电磁波携带的轨道角动量提升通信系统的频带利用率。
物理学上，电磁波的轨道角动量是电磁波角动量的一部分。电磁波的角动量可分为与极化相关联的自旋角动量(SAM)和与坡印廷矢量曲度相联的轨道角动量(OAM)。携带OAM的电磁波的坡印廷矢量围绕其波束的方向呈螺旋扭曲状，故而其场强度矢量就呈旋涡旋状分布。因此，学界将携有OAM的电磁波称为涡旋电磁波。
数学上，涡旋电磁波的电场强度矢量与涡旋电磁波的拓扑荷?(俗称模态)有关，不同模态?涡旋电磁波的电场强度矢量在空间上呈现特有的“极化纹理”。同轴传播的不同模态的涡旋电磁波的“极化纹理”围绕其传播轴关于模态是正交的。工程上利用这个正交性可以实现多个轨道角动量驱使的不同模态的涡旋电磁波信号共享信道传输。可见，电磁波的轨道角动量有不增加通信系统带宽而提升通信系统的频带利用率的潜能。因此，电磁波携带的轨道角动量发现后，就引起了通信科技工作者浓厚的研究兴趣。
目前，基于电磁波轨道角动量的通信技术的研究成果已涉及到涡旋电磁波信号的产生、传播、模态复用与分离以及与现有通信体制相兼容等多个领域，且层出不穷。这些研究成果不断地增强了人们探索涡旋电磁波通信技术的信心。
论文涉及涡旋电磁波在无线通信领域的应用研究成果集中在以下4个方面：
1.研究了面向均勾圆阵列(UCA, Uniform Circular Arrays)天线的模态复用祸旋电磁波(MVR, Multi-OAM-mode Vortex Radio)无线通信系统。分析了UCA阵列传递MVR信号时各阵元的激励产生方法，并给出了其物理实现方案；信号窄带与大尺度传播条件下，推演了UCA产生的MVR信号的信道模型；在全方位角采样接收条件下，建立了MVR信号信号的模态并行分离算法，给出了其物理实现方案；给出了该系统的信道容量估计模型。以8个阵元的UCA为例，计算了天线几何参数、莱斯因子等多个参数对系统容量的影响，并在HFSS(High Frequency Structure Simulator)环境下，以矩形微带线实现远场的三维波束计算。理论与数值计算结果表明，基于UCA天线构建MVR无线通信系统是可行的；不同模态涡旋电磁波的信道具有一个Bessel函数衰减量，其中Bessel函数的阶数等于模态涡旋电磁波的模态，因此，接收天线的半径有限时，不能获取信道中高模态涡旋电磁波携带的信息；基于UCA天线发送的MVR信号时，发送端需要引入多模态联合编码，以降低不同模态携带信息位相同时部分阵元过载或导致阵元的激励出现较大的峰均比。
2.提出了基于UCA分形嵌套天线构建的模态(子)集复用涡旋电磁波MIMO(reused multi-OAM-mode multiplexing vortex radio MIMO , RMMVR MIMO )无线通信系统的方案。信号窄带与大尺度传播条件下，推导了基于UCA分形嵌套天线的RMMVRMIMO通信系统的信道模型；建立了RMMVRMIMO信号接收方法，分析了RMMVRMIMO信号的模态的分离条件与并行模态分离算法；讨论了RMMVRMIMO无线通信系统的归一统计容量；并对4×8的UCA分形嵌套天线构建的RMMVRMIMO系统的统计容量与波束进行了数值计算。计算结果表明，基于UCA分形嵌阵列可以构建模态(子)集复用涡旋波MIMO无线通信系统；各UCA的“0”模态电磁波承载的调制信息需要使用正交码扩频技术以抑制“接收”干扰；发送端需要进行UCA天线间与UCA天线内的多模态联合编码，以削弱RMMVRMIMO信号传播过程中阵元激励的峰均比(PAR, Peak to Average Power radio)。
3.探究了基于同轴均勾圆阵列(Coaxial Uniform Circle Arrays, Co-UCA)天线构建了模态(子)集复用的涡旋电磁波MIMO(OAM-mode subset Multiplexing MIMO, OAM-MSMIMO)无线通信系统。在LOS且平行对齐传播条件下，分析了OAM-MSMIMO信号的模态(子)集复用涡旋电磁波MIMO信号的模态分离算法，给出了相关算法的实现方案；给出了基于CO-UCA天线的OAM-MSMIMO无线通信系统的归一化信道容量估计方法。在此基础上，计算了阵元数由内层到外层依次为5、7、9的CO-UCA天线构建的OAM-MSMIMO无线通信系统信道容量，给出了相应天线的HFSS模型与远场波束三维计算结果。理论分析与数值计算结果表明，由CO-UCA天线构建OAM-MSMIMO无线通信系统是可行的；由于采样接收引起模态折叠，因此需有信道知识，方可采用“剥洋葱”方法实现OAM-MSMIMO信号的信息提取;倘若无信道先验知识，则发送端需对对存在模态折叠的部分涡旋电磁波所携带的信息引入正交码扩频编码，以便于接收端对其分离；多模态复用时，OAM-MSMIMO系统的天线中部分阵的激励将存在较大的峰均比。
4.提出了基于UCA旋转分形嵌套阵列构建的模态(子)集复用高阶涡旋电磁波(High-order multi-OAM-mode multiplexing vortex radio, HoMMVR)无线通信系统方案。在窄带、大尺度视距传播条件下，基于傅里叶相位序列推导了HoMMVR通信系统的信号的信号模型，并推导了HoMMVRMIMO信号的模态分离算法；以接收阵元的响应与调制信号为研究对象分别分析了HoMMVR通信系统的归一化潜在容量和归一化可达系统容量；HFSS环境下对4×8的UCA旋转分形嵌套阵列进行了建模及其三维波束计算；Matlab环境下对4×8的UCA旋转分形嵌套阵列构建的HoMMVR系统的两种容量进行的分析。从数学模型与数值计算结果看，基于UCA旋转分形嵌阵列可以构建态(子)集复用的HoMMVR通信系统，且一个HoMMVR系统的可变性与其可达容量优于相同数量的同性阵元的RMMVRMIMO系统。
根据香农信道容量定理与电磁动量学理论，可从两个方面着手提升通信系统的信道容量，其一，开发太赫兹频段应用技术，为通信系统提供更宽可用频带，这一技术的发展面临器件制造与环境评估等诸多因素的限制；其二，基于电磁波携带的轨道角动量提升通信系统的频带利用率。
物理学上，电磁波的轨道角动量是电磁波角动量的一部分。电磁波的角动量可分为与极化相关联的自旋角动量(SAM)和与坡印廷矢量曲度相联的轨道角动量(OAM)。携带OAM的电磁波的坡印廷矢量围绕其波束的方向呈螺旋扭曲状，故而其场强度矢量就呈旋涡旋状分布。因此，学界将携有OAM的电磁波称为涡旋电磁波。
数学上，涡旋电磁波的电场强度矢量与涡旋电磁波的拓扑荷?(俗称模态)有关，不同模态?涡旋电磁波的电场强度矢量在空间上呈现特有的“极化纹理”。同轴传播的不同模态的涡旋电磁波的“极化纹理”围绕其传播轴关于模态是正交的。工程上利用这个正交性可以实现多个轨道角动量驱使的不同模态的涡旋电磁波信号共享信道传输。可见，电磁波的轨道角动量有不增加通信系统带宽而提升通信系统的频带利用率的潜能。因此，电磁波携带的轨道角动量发现后，就引起了通信科技工作者浓厚的研究兴趣。
目前，基于电磁波轨道角动量的通信技术的研究成果已涉及到涡旋电磁波信号的产生、传播、模态复用与分离以及与现有通信体制相兼容等多个领域，且层出不穷。这些研究成果不断地增强了人们探索涡旋电磁波通信技术的信心。
论文涉及涡旋电磁波在无线通信领域的应用研究成果集中在以下4个方面：
1.研究了面向均勾圆阵列(UCA, Uniform Circular Arrays)天线的模态复用祸旋电磁波(MVR, Multi-OAM-mode Vortex Radio)无线通信系统。分析了UCA阵列传递MVR信号时各阵元的激励产生方法，并给出了其物理实现方案；信号窄带与大尺度传播条件下，推演了UCA产生的MVR信号的信道模型；在全方位角采样接收条件下，建立了MVR信号信号的模态并行分离算法，给出了其物理实现方案；给出了该系统的信道容量估计模型。以8个阵元的UCA为例，计算了天线几何参数、莱斯因子等多个参数对系统容量的影响，并在HFSS(High Frequency Structure Simulator)环境下，以矩形微带线实现远场的三维波束计算。理论与数值计算结果表明，基于UCA天线构建MVR无线通信系统是可行的；不同模态涡旋电磁波的信道具有一个Bessel函数衰减量，其中Bessel函数的阶数等于模态涡旋电磁波的模态，因此，接收天线的半径有限时，不能获取信道中高模态涡旋电磁波携带的信息；基于UCA天线发送的MVR信号时，发送端需要引入多模态联合编码，以降低不同模态携带信息位相同时部分阵元过载或导致阵元的激励出现较大的峰均比。
2.提出了基于UCA分形嵌套天线构建的模态(子)集复用涡旋电磁波MIMO(reused multi-OAM-mode multiplexing vortex radio MIMO , RMMVR MIMO )无线通信系统的方案。信号窄带与大尺度传播条件下，推导了基于UCA分形嵌套天线的RMMVRMIMO通信系统的信道模型；建立了RMMVRMIMO信号接收方法，分析了RMMVRMIMO信号的模态的分离条件与并行模态分离算法；讨论了RMMVRMIMO无线通信系统的归一统计容量；并对4×8的UCA分形嵌套天线构建的RMMVRMIMO系统的统计容量与波束进行了数值计算。计算结果表明，基于UCA分形嵌阵列可以构建模态(子)集复用涡旋波MIMO无线通信系统；各UCA的“0”模态电磁波承载的调制信息需要使用正交码扩频技术以抑制“接收”干扰；发送端需要进行UCA天线间与UCA天线内的多模态联合编码，以削弱RMMVRMIMO信号传播过程中阵元激励的峰均比(PAR, Peak to Average Power radio)。
3.探究了基于同轴均勾圆阵列(Coaxial Uniform Circle Arrays, Co-UCA)天线构建了模态(子)集复用的涡旋电磁波MIMO(OAM-mode subset Multiplexing MIMO, OAM-MSMIMO)无线通信系统。在LOS且平行对齐传播条件下，分析了OAM-MSMIMO信号的模态(子)集复用涡旋电磁波MIMO信号的模态分离算法，给出了相关算法的实现方案；给出了基于CO-UCA天线的OAM-MSMIMO无线通信系统的归一化信道容量估计方法。在此基础上，计算了阵元数由内层到外层依次为5、7、9的CO-UCA天线构建的OAM-MSMIMO无线通信系统信道容量，给出了相应天线的HFSS模型与远场波束三维计算结果。理论分析与数值计算结果表明，由CO-UCA天线构建OAM-MSMIMO无线通信系统是可行的；由于采样接收引起模态折叠，因此需有信道知识，方可采用“剥洋葱”方法实现OAM-MSMIMO信号的信息提取;倘若无信道先验知识，则发送端需对对存在模态折叠的部分涡旋电磁波所携带的信息引入正交码扩频编码，以便于接收端对其分离；多模态复用时，OAM-MSMIMO系统的天线中部分阵的激励将存在较大的峰均比。
4.提出了基于UCA旋转分形嵌套阵列构建的模态(子)集复用高阶涡旋电磁波(High-order multi-OAM-mode multiplexing vortex radio, HoMMVR)无线通信系统方案。在窄带、大尺度视距传播条件下，基于傅里叶相位序列推导了HoMMVR通信系统的信号的信号模型，并推导了HoMMVRMIMO信号的模态分离算法；以接收阵元的响应与调制信号为研究对象分别分析了HoMMVR通信系统的归一化潜在容量和归一化可达系统容量；HFSS环境下对4×8的UCA旋转分形嵌套阵列进行了建模及其三维波束计算；Matlab环境下对4×8的UCA旋转分形嵌套阵列构建的HoMMVR系统的两种容量进行的分析。从数学模型与数值计算结果看，基于UCA旋转分形嵌阵列可以构建态(子)集复用的HoMMVR通信系统，且一个HoMMVR系统的可变性与其可达容量优于相同数量的同性阵元的RMMVRMIMO系统。