电磁超材料是一种人工设计而成、具有自然界物质所不具备的特殊电磁特性的复合结构或材料。本文利用电磁超材料独特的电磁特性,通过理论分析和全波仿真设计符合需求的超材料单元,并且将其应用在微带天线设计中,达到改善传统天线性能的目的。研究成果主要分为两大部分:第一部分,基于电磁超材料周期结构的高增益F-P腔天线;第二部分,加载新型复合左右手传输线结构的双频微带天线。本文主要研究内容及成果如下:1.设计了两种基于超材料周期结构的谐振腔天线。其中第一种为加载频率选择表面（FSS）覆层的宽带高增益F-P腔天线,使用具有宽频特性的双层FSS单元有效改善天线的增益带宽,1d B增益带宽从传统F-P腔天线的5%提高到10.7%,中心频率9GHz处天线增益为14.1d Bi。第二种为加载电磁带隙（EBG）结构的低剖面F-P腔天线,使用具有同相反射特性的共面EBG结构实现腔体高度的有效降低,腔体高度为λ/4,相比传统F-P腔天线降低一半。天线在中心频率9GHz处增益为14.5d Bi。2.提出了两种基于复合左右手传输线（CRLH-TL）结构的双频天线。第一种是利用CRLH单元左手频段相位超前特性设计的双频微带单极子天线,设计中提出一种新型对称结构的单元形式,将该单元加载到单极子天线中,由该单元提供的相位补偿作用引入一个更低频的谐振点,实现天线双频特性,天线工作于1.54GHz和2.4GHz,增益分别为2.29d Bi和1.13d Bi。第二种是利用CRLH单元二维周期结构设计的双频小型化微带贴片天线,设计中提出一种改进型CRLH单元使其具有更低的左手频段,将该单元以2?2阵列的形式加载到传统微带贴片中,引入一个低频的左手谐振模式,实现小型化和双频特性。天线工作于2.48GHz及3.74GHz,贴片整体尺寸为0.19λ₀×0.19λ₀×0.03λ₀（λ₀为低频中心频率处自由空间波长）,比传统同频半波微带贴片天线缩小了85.3%。对该小型化天线进行了加工与测试,测试和仿真结果一致性较好。