介电常数是描述电介质材料电磁特性的一个重要参数,其检测技术在工业制造、生物医疗和科学研究等领域有着越来越重要的作用。本论文着眼于用于介电常数测量的新型实用型的小型化微波传感器的研发,提出了一系列基于超材料开口谐振环(split ring resonator)的小型化、高灵敏度和强抗干扰的微波传感器和测试系统。Split ring resonator(SRR)具有亚波长和高品质因数Q值的特性,其经典的同心圆环结构被广泛应用于射频微波器件的设计之中,不同的是本文将利用新型的SRR设计微波传感器:1、提出了双层磁耦合传感器,得益于新型SRR聚集强电场的效应以及低辐射效率和磁耦合的优势,所提出的双层传感器具有超小的电尺寸(0.067λ0×0.067λ0)、高品质因数Q值(250)、极高的灵敏度(24.24%的相对偏移度)和强抗干扰能力(11.4%的远场辐射效率);2、针对双层传感器的辐射问题并结合多层SRR耦合的理论,提出了三层磁耦合传感器,改进型的三层传感器具有更小的电尺寸(0.052λ0×0.052λ0)、更高的Q值(345)、较高的灵敏度(14.54%的相对偏移度)和更强的抗干扰能力(6.3%的远场辐射效率);3、基于三层传感器,提出了单端口差分传感器,其单个谐振器在保持电尺寸、品质因数Q值和灵敏度与三层传感器几乎一致的情况下,最大远场辐射效率低至1.9%,抗干扰性和稳定性大大提升。然后,提出相对频率偏移法用于对待测介质介电常数的反演,极大的提高了测量的精准度并且大大简化了实验测试步骤。最后,提出了双端口差分传感器及其射频电路的测量系统,实现了在不使用任何实验设备的条件下就能对材料的介电常数进行测量。