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电磁超材料(Metamaterials: MTMs)以其不同于传统材料的许多特殊电磁特性，成为近年来研究的热点。它是介电常数和磁导率同时为负的一种人工合成材料，表现出一系列反常的电磁特性，如负相速传播、负折射、平板聚焦和逆(C)erenkov辐射等。本文以传输线型MTMs，也即复合左右手传输线(Composite Right/Left-Handed Transmission Line: CRLH-TL)为研究背景，建立了其一维和二维传输线理论模型，研究了CRLH-TL结构异于传统微波结构的特殊性质，并利用这些特殊的性质在小型化微波无源器件和大范围电扫描天线中展开应用，实现了一些具有特殊优势的新型微波器件和电扫描天线。本文的主要工作总结如下: 一、从基本的Maxwell方程出发，推导出介电常数和磁导率同时为负的MTMs同样满足Maxwell方程;分析了MTMs的特殊性质，如负折射、平板聚焦、逆Doppler效应，逆(C)erenkov辐射等; 二、研究了一维和二维MTMs的传输线理论，建立了CRLH-TL的仿真模型，验证了其相关特性;研究了几种实际结构的CRLH-TLs;并针对已经提出的CRLH-TLs存在的缺点，提出了一种基于基片集成脊波导(Ridge Substrate Integrated Waveguide: RSIW)结构的CRLH-TL设计，该传输线具有低剖面、结构相对简单、容易实现等优点，同时克服了以往CRLH-TLs辐射损耗较大的缺点;根据传输线矩阵(Transmission Line Matrix: TLM)法，论文建立了二维MTMs的TLM模型，仿真了二维传输线型MTMs的特性，包括负相速传播，平板聚焦和负折射; 三、研究了CRLH-TLs在无源器件中的应用，分析了CRLH-TL谐振器，重点研究了其特有的负阶和零阶谐振特性;基于所提出的CRLH RSIW单元，分别加载短路和开路两种边界条件，构成了两种RSIW结构的CRLH-TL谐振器;利用这两种谐振器的-1阶谐振，提出了两种小型化的谐振滤波器，这两种滤波器具有尺寸紧凑，低剖面，无辐射等优点; 四、研究了一维和二维CRLH漏波天线，分别设计了基于微带和基片集成波导(SubstrateIntegrated Waveguide: SIW)结构的一维CRLH漏波天线，仿真和实验结果均表明这种漏波天线具有从后向到前向连续扫描的能力，大大扩展了传统漏波天线的扫描范围;针对存在的大扫描角度范围需要宽扫描频带的缺点，提出了两种串联电感和并联电容增强型的CRLH漏波天线，该天线能够在较窄的频带内实现大范围的波束扫描，降低了与天线连接的微波器件的设计难度，增强了这种CRLH漏波天线的实际应用能力;提出了基于CRLHRSIW结构的缝隙阵天线，该天线与之前的CRLH漏波天线相比，具有设计方式更为灵活的优点。每个缝隙的激励幅度可以通过不同的偏置来控制，从而为优化方向图设计提供了手段;研究了一维频扫、一维相控的二维扫描的CRLH天线阵;提出了基于CRLH漏波天线的频率-相位二维扫描机制;相比于二维相控阵，这种频扫-相控相结合的CRLH天线阵能大大简化馈电网络，具有结构简单，低成本，平面无盲点扫描等优点。