新型人工电磁材料是近年来电磁学中新兴的研究领域，引起了世界范围内的广泛关注。新型人工电磁材料可以通过精心设计在亚波长尺度上单元结构对电场和磁场的响应，实现各种奇特的物理现象。在微波段和光波段，新型人工电磁材料具有令人瞩目的应用前景。本论文研究了新型人工电磁材料结构单元的谐振机理和等效媒质理论；在等效媒质理论的基础上，提出了一种自动化的快速设计方法，可以为复杂人工电磁材料提供快速有效的设计；探索了有关人工电磁材料的新奇现象和潜在应用。本论文的主要贡献是： 1）研究了新型人工电磁材料的等效媒质理论，关于新型人工电磁材料的等效媒质性这一具有争议的问题作了专门的讨论。结合对谐振媒质参数洛仑兹模型的推导阐述了新型人工电磁材料的物理机理。提出了改进的S参数提取方法，该方法与原来的S参数提取相比，能够得到更准确的媒质参数。 2）针对新型人工电磁材料系统，提出了一种具有普遍适用性的快速设计方法，阐述了该方法的流程和具体的算法。利用新型人工电磁材料的快速设计方法设计了渐变折射率的新型人工电磁材料，并进行了实验测量，验证了设计流程的速度和准确性。分类介绍了设计常用的新型人工电磁材料单元结构。 3）提出了非谐振新型人工电磁新材料单元结构，可构成宽带、低损耗的人工电磁材料。利用非谐振单元结构设计了使波束偏折和聚焦的宽带渐变折射率材料。实验数据证明了，从DC到X波段，材料具有宽带和低损耗的性质。 4）设计了基于光学变换的宽带隐身地毯，可使凸起的金属面覆盖下的物体对电磁辐射隐身。描述了具体的设计过程，其中利用了新型人工电磁材料的非谐振单元结构和快速设计方法。给出了实验过程中的细节，并分析了实验测量结果。 5）利用各向异性人工电磁材料实现了电磁波极化状态的转换，给出了实现极化状态转换的一般性设计公式。利用谐振和非谐振的单元结构，结合人工电磁材料的快速设计方法，设计了极化转换器。极化转换器的功能相当于光频器件中的波片。谐振结构的极化转换器，波阻抗与空气匹配，其中，一个实现圆极化波和线极化波之间的转换，原理类似于1/4波片；另一个实现一种线极化波到与之呈交差极化的线极化波之间的转换，原理类似于半波片。非谐振结构的极化转换器具有宽带、低损耗的性质，并利用渐变阻抗匹配层减小能量反射。实验结果证明了极化转换器的性能。 6）改进了可等效正折射率和负折射率人工电磁材料的传输线模型。利用传输线模型设计了开放式谐振腔，并研究了其中的物理现象。