本论文讨论天线的设计问题。从分析模型出发,结合特征模理论进行轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)天线的设计。注重设计方法论层面的研究。模式的概念贯穿整个微波、天线领域,深刻理解电磁场中的各类模式,才能更好地处理微波、天线工程中遇到的各类问题。天线从工作机理上来讲有两种:行波天线和驻波天线。行波天线中的导行波边传导边辐射,辐射效率较低;驻波天线对应的物理概念是外谐振,而特征模正是与外谐振相关的模式理论。特征模由于其清晰的物理概念,以及在数学上可作为正交的全域基函数等优点,近来被广泛被应用于天线工程中。特征模可以为工作于谐振状态的天线提供更为物理的、本质的解释,从而帮助人们更好地理解谐振型天线的工作机理。另一方面,具有OAM属性的波束的研究近年来从光波段拓展到了微波波段,OAM波束特殊的相位波前及其模态的正交性使得其有着巨大的应用前景,可被应用于成像、目标探测、近场感知和通信等领域,亦是当前电磁领域的一个热点。当前电磁涡旋依旧存在很多问题尚待解决,比如扩散角问题,高纯度高模态问题等。基于以上考虑,本文结合特征模理论在涡旋波天线设计领域进行了一系列的探索和研究工作,以彰显特征模理论在OAM天线设计中的价值。首先,作为前置工作,把现有的微波波段OAM产生方法抽象概括为四类分析模型,同时依托于分析模型指出该如何提取圆极化的OAM波束的轨道角动量数;然后,结合两类矢量分析模型,采用分析模型构建、特征模拟合分析模型、全波验证的思路流程,做了一系列OAM天线设计的工作;最后,通过上述分析过程形成的成果包括:八木形式的环形OAM天线、八边形微带贴片OAM天线以及平行磁电偶极子OAM天线。此外,采用八边形微带贴片OAM天线组阵仿真并实验证明了天线单元OAM模态数与阵列OAM模态数的可叠加性这一物理属性。所有这些天线的辐射场都同时包含了自旋角动量(Spin Angular Momentum,SAM)属性和OAM属性,因此这类天线可以被命名为全角动量天线(All Angular Momentum,AAM),以表征其丰富的电磁多样性。AAM天线的辐射场在空间分布上既有矢量涡旋波的特性又有标量涡旋波的特点,因此具有一定的潜在应用价值(通信、成像等)。在设计这些天线的过程中,依次用到了概念延拓、模式拼接、模式修正等思想,这些思想也可以自然扩展到其他类型的复杂模式的天线设计中去。