超材料,是由亚波长单元结构周期或非周期地排列而组成的人工电磁结构。超材料自问世以来,在信息科学领域发挥了重要的作用,广泛地应用于天线的设计当中。本论文结合不同超材料的特点,探索了他们在宽带天线上的应用,提供了新的设计思路,改善了传统天线的性能。本文的主要内容如下:（1）在传统宽带Fabry–Perot（F-P）谐振天线设计的基础上,使用超材料结构替换原先的介质材料,提升了天线的3-d B增益带宽和增益。我们在TP-1/2介质基板上,设计了金属圆环超材料和介质通孔超材料,最终在同一块介质上实现了介电常数从2.9到9.5的大范围覆盖,满足了梯度介电常数分布的要求。为了进一步优化F-P谐振天线的反射系数S11,采用了切比雪夫枝节匹配的方式设计了具有小口径、大带宽、低损耗的双脊波导馈源。最终设计的F-P谐振天线的最高增益为17 d Bi,3-d B增益带宽为55%（5.4 GHz到9.5 GHz）。（2）在工作（1）中F-P谐振天线的基础上,通过对部分反射面的结构进行优化设计,在不改变天线总体尺寸这一前提下,设计了非旋转对称的部分反射面。与（1）中的旋转对称结构相比,除了四块具有不同介电常数的区域形状不一样之外,部分反射面的厚度、口径面积、介电常数的值都是一样的。最终F-P谐振天线的增益达到17.1 d Bi,3-d B增益带宽达到73.8%（5.3GHz到11.5GHz）,天线的副瓣、前后比与（1）中的设计相比也有显著的提升。（3）基于柱形滑动对称结构和缝隙波导设计了两款阻抗匹配透镜天线。方柱形滑动对称结构为全金属结构,不存在介质损耗,同时由于结构本身的滑动对称性质,又具有相当低的色散,因此非常适合用于超材料透镜天线的设计。缝隙波导与传统波导相比对加工精度的要求更低,更适合在高频天线中应用。第一款为高增益阻抗匹配透镜天线,在此款透镜天线的设计中我们提出了一种迭代的方法对透镜口径面上的相位进行了优化,从而能够在不改变天线整体结构的情况下改善天线的性能。采用迭代的方法,可以降低透镜设计和仿真过程中带来的误差,从而提升透镜的性能。最终仿真与实验结果表明,经过优化后的阻抗匹配透镜在整个ku波段内实现了高定向性的同时有着较低的副瓣,与传统的设计相比在性能上有了一定的提升。第二款为贝塞尔透镜天线,基于滑动对称结构和缝隙波导的贝塞尔透镜,仿真结果显示在12GHz到18GHz的频率范围内,电磁波可以在300mm内实现无衍射传输。（4）提出了基于Fabry–Perot（F-P）线极化转化器的宽带、高口径效率的折叠透射阵天线。优化设计了具有3-bit相位的宽带、低色散、高极化转化率、低同极化率的F-P线极化转化器,并使用它组成了上层反射面。同时优化设计了在E面和H面具有对称方向图的小口径馈源。最终在ku波段实现了宽带、高增益、高口径效率天线,天线的最高增益为27.1d Bi,天线高度与口径比为0.25,3-d B增益带宽为36.4%（11.45GHz至16.55GHz）,最高口径效率为12.5GHz处的38%。