现代无线电系统的飞速发展促使天线系统朝着高性能、小型化、轻量化、低成本、易于集成和多功能的方向发展。新形势下，机遇与挑战并存，这在客观上要求天线研究领域不断地引入一些新的设计理念与技术。基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide, SIW)技术和超材料(Metamaterial)都是电磁界近些年来新兴的研究热点。本文正是致力于SIW和Metamaterial在天线设计中的应用研究，在深入分析当今SIW和Metamaterial理论和天线技术原理的基础上，对高性能SIW缝隙阵列、复合左右手(Composite Right and Left Handed,CRLH)波导非等距缝隙阵列、零折射率天线罩和高阻抗传输线的设计方法与应用进行了一系列研究。本文主要内容和结论概括如下：1.大型SIW缝隙阵列天线的设计与优化方法研究在设计大型、高增益、窄波束、低副瓣的SIW缝隙阵列线或面阵时，往往会遇到工作带宽太窄、成品率较低、设计周期较长，有时甚至无法实现的问题（尤其是在高频段）。针对这些问题，提出了基于改进的Elliott方程，综合利用Hfss、CST和MATLAB软件的SIW宽边纵缝阵列天线的高效设计与优化方法，并提出了阵列稀疏化的设计方法，稀疏化方法可以简化设计、展宽带宽、降低加工工艺要求等。2.高性能小型SIW缝隙阵列天线的设计在天线小型化设计中，后瓣抑制一直是设计工作的重难点之一。针对这一问题，本文以高前后比小型SIW缝隙阵列天线为研究对象，提出了一种通用的平面双模扼流介质衬底，它通过抑制平面天线表面波的边缘绕射，减小天线的后瓣，以及更有效地控制副瓣电平。3.基于SIW的高性能紧凑型车载雷达天线的设计针对24GHz车载雷达天线具有增益高、窄波束、低副瓣、工作频率高和结构紧凑的特点，本文采用了多层垂直耦合的馈电网络和稀疏的缝隙辐射阵列。同时，因口径尺寸受限，而为进一步提高阵列的方向性，并降低缝隙单元外部耦合，本文提出了加载开缝金属壁或Meta零折射率天线罩等十分具有针对性的设计方法，最终实现了既定的设计目标。4.基于CRLH波导的非等距缝隙阵列的研究根据CRLH传输线的无线波长特性，提出了一种基于CRLH波导的非等距缝隙阵列。CRLH波导的无线波长特性确保了任意位置的开缝单元都能实现同相激励，为非等阵的实现提供了宿主传输线。通过对非等距阵的综合、仿真和实验研究，验证了此类缝隙阵列的合理性。5.基于Metamaterial的电磁偶极子谐振器的研究宽带无线电系统和模块的设计尤其要注意电磁兼容问题和低噪声问题，这在某超宽带、大动态、小步进、高速信号模拟器衰减子系统的研制过程中得到了集中体现。通过采用基于Metamaterial的电磁偶极子谐振器，可以减小子模块之间通过信号线、控制线和地线相互串扰，确保系统运行和校准可靠性。