Metamaterial是当前电磁学的研究热点之一，由于它具有许多不同于传统材料的电磁属性，所以其实现与应用受到人们的广泛关注。谐振式Metamaterial的研究在理论和实验等方面均取得了巨大的进展，但是由于其固有的强色散、高损耗等缺陷，谐振式Metamaterial在实际工程中的应用受到严重制约，是其进一步发展的瓶颈。针对谐振式Metamaterial存在的主要问题，本文致力于微波频段非谐振式Metamaterial结构和应用的研究，开展了以下方面的研究。在非谐振式Metamaterial的结构研究方面，主要研究非谐振式Metamaterial的构造，以及在入射电磁波作用下的电磁响应。首先根据材料介电常数和磁导率的物理意义，分别建立了实现非谐振式电响应的介电常数模型和实现非谐振式磁响应的磁导率模型，通过理论分析推导出这两个模型等效本构参数的计算公式，再结合数值计算，验证了理论分析的正确性，并研究等效本构参数的特征和影响因素。然后综合上述模型的特点提出了非谐振式Metamaterial结构，并研究了其色散特性和损耗特性，发现非谐振式结构具有宽频带、低损耗、结构简单等优点。非谐振式Metamaterial突破了谐振式结构发展的瓶颈，具有巨大的应用潜力，本文在非谐振式Metamaterial的应用方面的研究，就能有力的说明了这一点。首先采用非谐振式Metamaterial设计并制作了提高天线增益的梯度透镜，并针对二维非均匀透镜在电磁波传播方向存在较严重的反射问题，采用阻抗渐变的梯度透镜，将梯度透镜的非均匀度提高到三维，实验表明，这种梯度透镜在较宽的频带内能有效的提高天线的增益。为满足系统对天线提出的各种性能要求，还提出了赋形梯度透镜和近场梯度透镜的设计方法，突破了传统光学设计方法的局限，增加了梯度透镜的用途，减小了对初级馈源天线的要求，能极大的增加梯度透镜的应用范围。随后运用光学变换法设计了电磁波束偏转器，可用于改变天线波束的辐射方向。所设计的波束偏转器只有一个本构参数分量是随空间位置变化的，易于制作，且由于是采用非谐振式Metamaterial制作，所以波束偏转器具有宽频带的特点。通过实验测试波束偏转器对天线辐射电磁波的影响，验证了这种设计与制作方法的正确性，能达到控制电磁波束传播方向的目的。