特征模理论(CMT)具有清晰的物理概念,能够描述各种形状的天线及散射体的谐振特性,从本质上对天线的辐射机理进行合理地解释,便于理解和指导工程设计,因此自其提出以来便在天线设计领域备受关注。特征模式是存在于物体的一种固有属性,而与任何外在激励无关,其特征模式电流在源区正交,特征远场在无穷远处的球面上正交,根据其优势特性,特征模理论可被广泛应用于分析与设计各种各样的天线,本文基于特征模理论分别具体就抗金属RFID天线、MIMO天线、超表面天线及电抗控制阵列(RCAA)这四类天线进行了一系列相关研究。在基于特征模理论的抗金属RFID天线分析与设计方面,本文首先利用特征模理论提出了一种与金属物体一体化的抗金属RFID标签天线设计方法。根据对金属物体进行特征模式分析(CMA),来确定待激励的特征模式,进而确定相应的激励位置和设计环形耦合激励结构。具体设计了一款体积很小的陶瓷环形激励结构作为电感性耦合激励结构(ICE),放置在金属物体的特定位置上,能有效激励起金属物体的某些特征模式来辐射,并同时完成与芯片的共轭阻抗匹配。针对车牌RFID标签天线的上倾波束方向图需求,利用特征模式电流与电场的正交性,采用一种用特定模式的特征远场来直接合成期望方向图的方法。通过选取合适的待激励特征模式和激励位置,合理设计馈电激励结构,激励起所期待特征模式的同时抑制某些特定的干扰特征模式的产生,最终将金属车牌本身设计成满足上倾波束方向图需求的车牌RFID标签天线。在基于特征模理论的MIMO天线分析与设计方面,本文首先从特征模理论的角度讨论了MIMO天线的隔离度和相关性系数(ECC)这两个重要参数,与特征模式建立了相关联系,并进一步将其应用到含有?型结构的紧凑型双端口5GHz MIMO天线的多模式分析中,从特征模式的角度解释了该天线所具有的低互耦、低相关性系数的特性。基于对矩形叠层介质块的特征模式分析,分别采用特征模式的两种不同激励方式来设计馈电结构,最终设计出一款高隔离度、低相关性系数的双端口宽带介质MIMO天线。在基于特征模理论的超表面天线分析与设计方面,本文首先将特征模式分析方法应用于使用同轴探针直接馈电的双层结构的贴片型超表面天线,很好地解释说明了其宽带辐射原理。针对双层结构形式的超表面天线剖面较高,加工不太方便的问题,利用特征模理论,提出了使用同轴探针直接激励的单层结构形式的超表面天线。根据特征模分析提供的相关模式信息,选取合适的探针激励位置,并采用缝隙加载来改善阻抗匹配,最终分别设计了一款单层宽带低剖面U型缝隙加载的线极化超表面天线和一款单层宽带低剖面L型缝隙加载的圆极化超表面天线。其结构和加工都更简单,剖面更低,并加工与测试了相关天线来验证设计的正确性。在基于特征模理论的电抗控制阵列(RCAA)优化设计方面,本文首先针对单一遗传算法(GA)和粒子群算法(PSO)在进行阵列优化时容易陷入早熟收敛的问题,充分结合这两种算法各自的搜索优势,提出了一种混合GA-PSO算法。经过相关数值算例对比测试,其无论是在测试函数还是在阵列天线优化问题中都具有比单一GA或PSO更快的收敛速度和更高的收敛精度。而后利用提出的GA-PSO算法结合端口特征模理论,对微带型RCAA进行优化设计,其中以模式权重系数(MWC)作为优化变量,来优化微带RCAA阵列的方向图,实现了对其方向图的波束控制,最后将优化得到的电抗加载值代入HFSS进行了全波仿真,验证了设计方法的正确性。