自然界中的物质都是由原子或分子组成的,其介电常数?和磁导率?是用来描述物质与电磁波的相互作用的。超常介质是由尺寸远小于电磁波波长的人工微结构单元充当“原子”构成的一种等效均匀人工材料,其宏观性质是由这些“原子”决定的:等效介电常数εeff反映了超常介质对外加电场的响应,而等效磁导率μeff反映了超常介质对外加磁场的响应。超常介质的出现昭示着人们可以在不违背物理学基本规律的前提下,人工获得与自然媒质迥然不同的超介质。本文深入地研究了超常介质的工作机理及其等效媒质参数,并在此基础上,对超常介质在光子晶体、微波电路以及天线中的应用进行了有意义的探索,得到了一系列新型的微波器件。主要工作有以下几点:1.概述了分析周期性超常介质的基本理论和方法——Floquet定理、Bloch波及传输矩阵法,重点研究了从S参数中提取等效媒质参数的方法,建立了超常介质的等效媒质理论体系,并归纳出了左手材料的判断方法。2.深入地研究了谐振型超常介质的电磁特性。详细地分析了以金属导线与金属开口环(Split Ring Resonator, SRR)为代表的谐振单元实现等效负介电常数材料、等效负磁导率材料和左手材料的工作机理。重点针对四种极化下SRR的电场分布、等效媒质参数和传输特性进行了深入的研究,为设计谐振型左手材料提供了理论指导。互补开口谐振环(Complementary Split Ring Resonator, CSRR)是SRR的互补结构,因此CSRR表现出与SRR对偶的电磁特性,但与SRR不同的是:当电场平行于CSRR所在平面时,将会激励起CSRR的电等离子体谐振。3.从等效媒质理论的角度阐述了复合左/右手传输线(composite right/left-handed transmission line, CRLH-TL)的电磁特性,利用电压波和电流波在CRLH-TL中的传播来模拟电磁波在非谐振型超常介质中的传播性质。首先讨论了理想右手传输线的等效媒质参数,然后通过对右手传输线的对偶性分析得到理想左手传输线的LC网络及其等效媒质参数,再将二者结合在一起得到复合左/右手传输线的LC网络,重点分析了复合左/右手传输线分别在平衡状态下和非平衡状态下的等效媒质参数。最后,采用加载集总LC元件的方法构造出一维复合左/右手微带线,并详细地推导了复合左/右手微带线的色散关系和等效媒质参数的提取方法。4.从理论和实验两个方面研究了含左手材料或单负材料的一维光子晶体的电磁特性。1)在实验中观察到了一维光子晶体中负模Bragg带隙及与晶格尺寸无关的零平均折射率带隙(zero averaged refractive index gap, zero-n gap)。通过理论和实验证明了zero-n带隙就是零模Bragg带隙,并且由左、右手材料交替排列构成的电磁带隙也是源于Bragg相干散射产生的。2)详细地推导了含左手材料的一维光子晶体中出现离散模的条件,并以此总结出了Bragg带隙的消失条件。5.研究了基于超常介质的新型天线和微波电路。1)首次将CSRR加载到微带贴片天线上并通过调整CSRR的开口方向实现了圆极化和双频线极化天线的设计,并以此提出了一种新型的极化可重构微带天线的设计方案,通过四个微机械开关(MEMS)实现了左旋圆极化、右旋圆极化和线极化天线之间的转换。2)利用CSRR的电响应,将其加载到基板集成波导上实现了结构紧凑、截止陡峭的陷波器。3)根据复合左/右手传输线的色散特性和后向波特性,将其应用到微波电路中,分别实现了双频器件、小型化器件及宽带移相器等新型的微波器件。