传统的天线设计方法一般需要对天线结构进行反复地改进和优化以达到要求的性能,这个过程中并没有对构成天线的辐射体本身的特性进行相应的分析。特征模理论允许我们在无激励的情形下,对辐射体的物理特性加以界定,这对于天线设计具有很大的指导作用。特征模理论适用于任意形状的平面或立体导体结构,特征模分析可以大大降低天线设计和调试的工作量。特别是当前对于天线性能要求越来越高和结构越来越复杂的挑战下,特征模分析越来越多地被应用到各种天线的设计中。随着各种各样现代通信技术的兴起和发展,频谱资源面临枯竭,现有的基于频率、时间和空间等的复用技术也远不能满足人们对于通信速率的需求。理论上,同一频率下电磁波轨道角动量（OAM）有无限多正交态,这为我们提供了一种新的复用技术来提高通信系统的频谱利用率。轨道角动量的有效产生是实现这种通信方式的基础,因此轨道角动量天线的设计成为当前的一个研究热点。模式跟踪是特征模理论应用的一个关键问题。本文基于模式间的余弦相似度,编写相应模式跟踪算法代码,并在典型的二维或三维结构中进行验证,并且指出,可利用结构最大尺寸与最小工作波长的3/2比例关系来确定模式可靠跟踪的频带范围,以提高算法处理效率。基于OAM模的模式合成理论,结合特征模理论,本文进行了单贴片天线OAM辐射的实现构建。在圆形贴片外引入圆弧段,通过对其调控容易产生各低阶OAM波。实验结果表明,圆形辐射贴片的基模合成只能产生零阶OAM模,而对TM21或TM31各自简并模的附加90度相移叠加,则容易辐射一阶或二阶OAM波。基于圆弧段的对称加载,还构建了旋向可控的二阶OAM天线;基于圆弧段有效长度的调控,构建了阶数可控的OAM天线。以正六边形辐射贴片为基础,还进行了高阶（四阶和六阶）OAM天线的分析,取得了一定效果,但性能有待进一步改进。本文首次把余弦相似度应用于模式跟踪,一定程度上降低了算法实现的复杂性。本文利用单天线实现轨道角动量,将可极大简化OAM系统的实现架构。