最近十几年特征模理论被广泛应用在各类天线的分析和设计中,大量研究表明,特征模理论的确为天线设计者提供了很多有用的指导。本论文在目前研究成果的基础上进行了更深入的探索,所取得的创新性成果有:1.基于特征模式设计了一款低剖面结构紧凑的圆极化微带天线。我们发现,在引入新模式以拓展圆极化天线的带宽时,不仅需要调节新模式的谐振点,还需要调节新模式的极化方向。在本文中,我们通过在馈电贴片附近加载两块寄生贴片,成功引入了一个新的寄生模式。通过调节寄生贴片的尺寸和旋转角度,可以实现对寄生模式谐振点和极化方向的控制。相比于没有加载寄生贴片的情况,天线的-10dB阻抗带宽从4.3%增加到6.0%,3dB轴比带宽从1.3%增加到3.3%。此外,与传统上使用四块顺序旋转放置的寄生贴片相比,本文中仅使用两块寄生贴片,这使得天线的尺寸减小了一半,但是轴比带宽几乎一样。由于具有低剖面和尺寸紧凑的优势,本文所提出的天线非常适合应用于北斗卫星导航系统。2.基于混合特征模式设计了两款宽带环形缝隙天线。我们先说明了采用混合特征模式而非纯磁流特征模式分析缝隙天线的必要性:前者的谐振点与缝隙天线输入阻抗的低阻(50欧姆左右)谐振点相对应。在混合特征模式的指导下,我们通过在圆环上加载两个枝节获得一个新的模式,由于该新模式的磁流在枝节上较强,而在圆环上较弱,因此通过调节枝节的长度可以控制新模式的谐振点。通过这种方法我们获得了第一款宽带环形缝隙天线,但是由于新模式与原已存在模式的特征场方向图不同,这导致天线方向图不稳定。为了解决这个问题,我们转而采用加载寄生圆环的方法来获取新模式,由于结构相似,该新模式与原已存在模式的特征场方向图非常类似,从而实现了方向图的稳定。这两款天线的带宽分别是18.2%和24%,均可用于LTE40/41频段(15.6%)。较大的地板使得这两款天线具有良好的共形特性,隐蔽性强,降低了安装成本,另外,缝隙天线固有的双向辐射特性使得它们非常适合安装在城市的巷子和街道里。3.从能量和电路角度分别对特征模式的耦合及其应用进行了深入的研究。我们首先解释了特征模式耦合的物理本质是其近场存在耦合,然后根据模式储存能量推导出了耦合系数的计算公式。我们发现,通过调节模式间的耦合可以减小天线Q值,进而拓展天线带宽。据此提出了通过调节模式耦合优化天线带宽的方法,由于只需计算单频点的耦合和Q值,相比于传统的扫频方法,耦合方法大大减少了天线带宽的优化时间。特征模式是辐射模式,因此与传统滤波器腔体模式不同,需要采用具有复数值的J/K倒置器来表征其耦合效应,即不仅需要耦合电容/电感,还需要耦合电导/电阻。本文采用贴片天线作为例子阐明了这个结论。4.提出了两种新的模式,即XeR/XmR模式。特征模式的特征值与天线储存的净能量相关联,但是XeR/XmR模式的特征值则是与天线储存的电能/磁能相关联,因此天线Q值可以写成XeR/XmR模式特征值的线性组合。我们对XeR/XmR模式的优缺点进行了细致的分析,发现相比于特征模式,它们的特征电流不太适合于展开二维天线表面的总电流,而且由于XeR/XmR模式的Q值通常比较大,XeR/XmR模式的电流分布也并不与天线最小Q值相关联。尽管电流分布存在缺点,它们的特征值却能提供很多有用的信息:XeR/XmR模式特征值可以给出TE/TM模式所储存电能/磁能的下界;以及能够帮助我们快速确定任意形状天线Q最小值的取值范围。