电磁超材料(Metamaterial)是一种人工复合的具有特殊性质的人造材料。超材料的几何形状、大小、方向和排列方式赋予其改变入射电磁波的振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的能力。超材料吸波体相比传统吸波体在材料要求上低,并拥有吸收率高、设计简单、极化角和入射角不敏感等优点。超材料天线相比传统天线则具有高方向性、高辐射效率、小型化等优点。本文主要研究内容和意义如下:1.设计有高吸波率的超表面波导吸波体。基于空间Kramers-Kronig关系的吸波原理,利用超表面波导设计出离散化且具有KK关系空间面阻抗分布的结构。结合面阻抗和空间介电系数的关系式,说明空间面阻抗KK关系也具有吸波效应。分别对比5,10,20层该结构的吸波效果,证明该结构在20层时能实现良好的吸波效果。给出电磁波在超表面波导中传播的电场强度分布图。最后结合实验验证所设计的超表面波导吸波体的吸波效应。本文设计的超表面波导吸波体在10GHz处能实现99%的吸收率,同时在9-11.5GHz实现80%以上的吸收率。2.设计实现波束宽度展宽的双各向异性超材料天线。基于贴片天线的外场辐射分布式,设计贴片天线辐射场的波束宽度在E面和H面分别是82.1度和85.4度。对双各向异性超材料的两种基本磁电耦合情况进行介绍。本文在贴片天线上放置超材料结构,贴片天线的辐射场和超材料形成耦合,达到对波束宽度进行展宽的效果。本文设计长方体金属棒、LC振荡金属棒、电谐振开口环、磁谐振开口环、手性谐振环等多种结构,均未能达到理想效果。最终,本文设计的双各向异性谐振环可以将贴片天线的辐射效率从-10.98dB优化为-27.6dB,波束宽度在E面和H面分别展宽到136.3度和111.9度。3.本文的创新性在于当设计出的超表面波导面阻抗在空间上满足Kramers-Kronig关系,理论上能证明该结构对入射电磁波能形成完美吸波效果;不对贴片天线本身结构做出改变的基础上,提出双各向异性超材料和贴片天线的外场进行耦合,实现天线辐射效率的提高和波束宽度展宽。理论上,本文设计的超表面波导吸波体和超材料天线的吸收和辐射属于互易过程。应用上,超材料天线实现空间内良好的信号覆盖,超材料吸波体则能减少不必要的电磁辐射。