近年来,特异材料(metamaterials)因其奇异的电磁特性及广泛的应用而成为国际上一个热门的研究领域,曾在2003年和2006年两次被美国《科学》杂志评为当年世界十大重大科技进展之一。经过人们的不懈努力,基于特异材料的具有奇异特性的电磁波波器件近几年层出不穷。其中,包括电单负(epsilon-negative,ENG)材料和磁单负(mu-negative,MNG)材料在内的单负(single-negative,SNG)材料作为特异材料的一种,近几年也引起了人们极大的兴趣,众多的课题组已在单负材料的制备、特性及应用方面做了大量的研究工作。在本文,我们首先通过在共面波导上周期性地加载集总电容电感元件制作出了单负材料,为单负材料的获得提供了一种途径,同时也为后面我们实验上研究单负材料的特性提供了一个平台。然后,我们主要研究了由两种单负材料组成的复合结构以及由两种单负材料和双正材料组成的复合结构中电磁波的隧穿特性。 在论文第二章,作为随后两章实验上研究单负材料奇异电磁特性的一个基础性和平台性工作,我们主要研究了基于共面波导的单负材料制备。首先我们通过在共面波导上周期性地加载集总电容电感元件制作出了单负材料。接下来,针对我们的制备方法,我们还研究了加载电容电感的周期性的破坏对单负带隙的影响,研究发现周期性的破坏对单负带隙基本没有影响,该特性有助于我们制备单负材料时对加工精度的要求不像制备通常的光子晶体那样苛刻。最后,我们在通过在共面波导上周期性地加载集总电容电感元件制作出单负材料的基础上,用变容二极管代替集总贴片电容,还制作出了单负带隙的频率范围可以调控的可调单负材料。 论文第三章中,我们主要研究了ENG材料和MNG材料组合结构中电磁波的隧穿现象。我们首先基于在腔量子电动力学领域有着重要应用的传输线谐振腔存在的缺点,对由ENG材料和MNG材料组合成的异质结中隧穿模的特性进行了详细研究。发现ENG-MNG异质结中的隧穿模有两大重要特性：亚波长特性和电磁场高局域特性。亚波长特性使得在保证隧穿频率不变的情况下,异质结的长度可以突破半波长极限,能够做的很短；电磁场高局域特性使得我们在ENG材料和MNG材料的界面可以获得非常强的电磁场。有了这两大特性,由ENG材料和MNG材料组成的异质结将在腔量子电动力学、量子信息、量子通信等方面有着重要的潜在应用。然后,我们还实验上研究了电磁波在由ENG材料和MNG材料组成的光子晶体异质结中发生隧穿的现象。首先实验上验证了由ENG材料和MNG材料组成的光子晶体异质结中电磁波隧穿现象的发生,然后重点研究了光子晶体异质结中光子晶体周期性的破坏对隧穿现象的影响。结果表明,光子晶体的周期性破坏后,隧穿现象依然存在,并且隧穿频率也不发生移动。这种隧穿频率对周期性破坏的不敏感性,可以让我们在制备有着重要应用的光子晶体异质结时,对加工精度的要求不那么苛刻。在论文第四章,我们主要研究了由两种单负材料和双正材料(空气)组成的复合结构中电磁波的隧穿现象及其在无线能量和信息传输中的应用。我们研究发现在一定条件下,由ENG材料、空气和MNG材料组成的三明治结构能够对电磁波透明,并且出现了电磁场的局域现象。与EMG-MNG异质结不同的是,此时电磁场分别局域在不同的界面上,电场主要局域在MNG材料和空气层的界面,磁场主要局域在ENG材料和空气层的界面。该特性使得MNG-Air-ENG复合结构在无线能量和信息传输中有着重要的潜在应用。与目前借助于天线的无线通信系统相比,利用MNG-Air-ENG复合结构的无线传输系统将会大大提高能量的利用效率,并能解决目前局域网络的安全问题,而且还有利于人们的健康。