人工电磁材料是近些年物理学和电磁学中的一项重要发现。它由尺寸远小于空间波长的人工单元周期或非周期排列而成,能够在宏观上等效为真实的电磁材料。人工电磁材料因在理论上能够实现任意的介电常数和磁导率而引起了国内外学者们的广泛关注。通过控制人工材料电磁特性,人们可以更加自由的控制电磁波的传输。人工电磁材料在增强天线定向性、提高天线增益及调控波束方面有广泛的应用,它的引入为设计高性能天线提供了新的手段。本文主要探讨了双各向异性人工电磁材料的等效参数提取方法以及人工电磁材料在提高定向天线增益方面的一些应用,提出了多种具有广阔应用前景的新型天线。本文的主要研究内容和贡献概括如下：1.对于双各向异性人工电磁材料,提出了一种有效的等效电磁参数提取方法。该方法是在非均匀人工电磁材料参数提取理论基础上做进一步推导得到。利用该参数提取方法可以直接从双各向异性人工电磁材料的散射(S)参数计算出其等效介电常数、磁导率以及磁电耦合系数等。对于由开口谐振环(SRR)构成的人工电磁材料,当单元结构在波传输方向上不对称时,会呈现出双各向异性。对比通过参数提取法与解析法得到的等效电磁参数结果,验证了所提出的等效参数提取方法的正确性。此外,当人工电磁材料单元为印刷在介质板两侧SRR和金属线时,利用所提出的参数提取方法得到了电磁波在两个方向入射时该材料的不同等效电磁参数。2.提出将基于弯折线结构的人工电磁材料加载到印刷的对数周期端射(PEF)天线前端,实现PEF天线宽带范围内的高增益设计。通过仿真得到,弯折线型人工电磁材料能够有效提高工作在5.95-11.65 GHz的PEF天线增益,且增益在一定范围内随人工材料尺寸的加大会进一步增加。此外,通过对比可以看出,基于弯折线结构的人工电磁材料比于基于SRR和Ⅰ型结构的人工电磁材料具有更宽的工作频带。对加载2行和4行弯折线单元的PEF天线进行加工和测试,测试结果显示人工材料加载的两个PEF天线增益相比原PEF天线增益分别提高了0.6-3.6dB和1.2-5.7dB,这表明所提出的人工电磁材料能有效改善PEF天线的增益。3.提出基于平行线结构的宽带人工电磁材料。利用等效参数提取方法得到该人工材料在非谐振区域内折射率实部大于1。该人工材料具有良好的传输特性,并能等效为一块均匀介质透镜,可用于改善印刷定向天线的增益。设计分别工作在6-18 GHz和5.5-15 GHz的两款对跖型渐变槽线(ATS)天线,将两种基于平行线单元的人工材料分别加载到两天线前端,得到新型的高增益ATS天线。仿真和测试结果都表明,所提出的人工电磁材料能够在ATS天线的整个工作频带内显著提高其增益,并使其具有更好的定向辐射性。4.设计了基于闭合方形环的多层结构的人工材料透镜。通过等效参数提取得到,该透镜在8-12 GHz频段内折射率实部大于1。将该透镜放置在贴片天线上方,通过仿真优化可得到合适的透镜尺寸及透镜与天线之间的距离。对加载有4层结构人工材料透镜的贴片天线进行加工和测试得到,该透镜使原始贴片天线在10.25 GHz时的增益提高6.5 dB。此外,对喇叭天线的透镜做了进一步的改进设计。其方法是将金属网格和方形金属环印刷在介质板的不同区域,实现透镜折射率的梯度变化,再将该透镜加载到角锥喇叭天线喇叭口处,可实现该喇叭天线在5.5-7 GHz频率范围内增益的显著提高。