特征模理论只考虑电磁目标的结构、尺寸和材料等固有属性而与任何外在激励无关,因此通过其模式分解过程可以为电磁目标的辐射和散射机制提供清晰的物理解释。特征模理论最初为分析金属体的散射问题而提出,在无线通信兴起后已被广泛应用于天线系统的设计和优化。然而自金属体特征模理论被广泛认可并应用以来,应对更为复杂电磁结构的特征模的理论发展却不尽如人意,已经严重限制了特征模理论的应用范围。因此,对特征模开展系统化的理论研究,拓展其理论适用范围,不仅对其理论的完善大有裨益,更重要的是可以为更为广泛的电磁目标的辐射和散射分析提供物理层面上的系统化指导。正是基于此目的,本文采取类似于经典金属体特征模理论的发展流程,在介质全涂敷金属体特征模的理论发展和验证,更广泛的金属介质复合体特征模的理论发展和验证以及网络特征模在紧耦合阵列上的应用等方面开展了较为深入的研究工作。本文的主要内容可概述如下:1.首先简述了特征模理论的研究背景及其研究历史和进展。其次,从基于电场积分方程的矩量法入手,通过数学算子和能量关系分别推导出了金属体特征模理论,并通过复坡印廷定理证明了该特征模理论所得的特征值的物理含义及其特征电流和特征场的正交性。最后,阐明了金属体特征模理论的数值执行流程,并详述了其中的广义特征值方程求解及模式追踪等关键步骤。2.首次基于电场积分方程和Poggio-Miller-Chang-Harrington-Wu-Tsai(PMCHWT)表面积分方程发展了适用于介质全涂敷金属体的特征模理论。通过在介质涂敷表面强加不同的场切向分量连续性条件,推导出了两套模式分析结果相同的广义特征值方程,为介质全涂敷金属体的辐射物理机制研究提供了有力的理论支撑。此外,通过无源复坡印廷定理严格地证明了求解该广义特征值方程得到的特征值的物理含义及其特征电流和特征场的正交性。最后,基于此介质全涂敷金属体特征模理论,相应地提出了两套适用于介质全涂敷金属体散射特性分析的模式分解方法,该方法高效的散射分析过程不仅可以清晰地阐明介质涂敷体的散射物理机制,而且实现了对介质涂敷体散射响应的系统化控制。3.首次基于连接域建模技术(CRM)并结合电场积分方程和Poggio-Miller-Chang-Harrington-Wu-Tsai(PMCHWT)表面积分方程发展了适用于任意金属介质复合体的特征模理论。通过在介质体表面强加不同的场切向分量连续性条件,实现了两套模式分析结果相同的广义特征值方程,为包括介质全涂敷金属体,介质部分涂敷金属体和金属薄片部分覆盖介质体在内的任意金属介质复合结构提供了有力的模式分析工具。此外,通过能量守恒关系严格证明了求解该广义特征值方程所得特征值的物理含义及其特征电流和特征场的正交性。最后,基于此任意金属介质复合体特征模理论,相应地提出了两套适用于任意金属介质复合体散射特性分析的模式分解方法,其保证高效散射分析的同时实现了对任意金属介质复合体散射物理机制的深入理解。4.基于N端口网络特征模理论,开展了重叠偶极子紧耦合阵列宽带匹配的研究工作。首先将紧耦合阵列等效为多端口网络,并通过提取表征其端口特性的互阻抗矩阵建立广义特征值方程,随后求解该广义特征方程求得包括端口模式电流分布和端口特性阻抗分布在内的特征激励。最后选取其中宽带的特征激励应用于该紧耦合偶极子阵列上。相较于均匀激励的情形,其结果不仅使得所有阵列中单元基本上达到了更宽带的阻抗匹配,而且提升了整个紧耦合阵列的可实现增益。