高增益定向电小天线在一些通信系统中发挥着重要作用。随着通信设备的小型化，预留给天线设计的部分也越来越有限，更增加了设计难度。以往高增益定向电小天线的设计主要采用常规优化方法，即通过尝试，反复进行“确定馈电位置→改变天线结构”这一过程，直至达到性能要求。该方法主要依赖于设计者的经验，并且馈电位置的设定限制了天线设计的自由度。根据特征模理论，任意天线的表面电流分布可表示为特征电流的加权叠加。特征模本身具有的物理特性有助于天线的分析和设计。本文利用特征模理论对高增益定向电小天线进行了研究，为其提供了一种新的分析与设计方法。主要内容概括如下：
　　1.研究了高增益定向电小天线的特征模特性，研究了特征远场的点对称特性，提出了一种基于特征模的针对该类天线的设计方法。
　　通过研究高增益定向电小天线的特征模特性，发现电小天线至少需要激励两个特征模才能实现定向辐射。为了验证该现象的合理性，通过坐标变换，采用天线阵列原理，推导得出了特征远场的点对称关系，发现在合适的激励条件下，特征远场能够加权叠加实现定向辐射。根据上述分析，提出了一种基于特征模的针对该类天线的设计方法。
　　2.推导并验证了天线参数的特征模表达式，推导得出了最大可得方向性系数，提出了任意导体超方向性特性定量分析方法。
　　根据上述设计方法，首先推导和验证了天线方向性系数、辐射效率、Q值的特征模表达式；通过求解方向性系数的最大值，得出了任意导体的最大可得方向性系数(Da)。通过分析导体的Da、辐射效率和Q值，提出了任意导体超方向性特性定量分析方法。该方法可针对任意导体进行分析，相比于文献中基于球面模的仅能针对球体进行分析的方法，具有明显优势。对定向电小天线导体的超方向性特性进行研究，给出了一种通过加载单个馈电以激励两个模式的设计方案。
　　3.研究构建了与馈电位置无关的优化目标函数，设计了形状优化高增益定向电小天线，实现了一种基于特征模的形状优化设计方法。
　　根据上述设计方案，为使电小导体获得达到Da的方向图并同时具有定向辐射特性，首先建立定量表达式，推导得出了基于特征模的严格优化目标函数，并通过合理近似构建了简化目标函数。该简化目标函数与馈电无关，可用于该类天线的形状优化设计。根据天线辐射效率的特征模表达式，推导得出了辐射效率优化目标函数，将其与上述简化目标函数结合，构建了与馈电位置无关的高增益定向电小天线形状优化目标函数。利用该目标函数进行优化实验，成功实现了增益趋近于Da所对应的增益的定向电小天线设计，实现了一种基于特征模的形状优化设计方法。
　　4.对形状优化高增益定向电小天线进行了实际测量，验证了基于特征模的形状优化设计方法的有效性与实际可行性。与传统设计不同，该方法只需针对导体形状进行优化，馈电位置由优化所得导体的特征电流分布进行确定，有助于有效利用有限设计区域获得天线高增益特性，为高增益定向电小天线提供了一种新的设计途径。