电磁超材料（Electromagnetic Metamaterial）是当今电磁微波与新材料科学领域的研究热点和重点之一。电磁超材料通常由周期或非周期排列的亚波长单元组成,具有许多不同于自然材料的奇异的电磁特性,可以用于电磁波的调控。超材料的出现为天线设计和优化提供了一种全新的技术途径。基于上述背景,本文在对超材料理论进行深入分析研究的基础上,设计新型的超材料结构,重点研究了单元结构与特性之间的关系;论文其次研究了应用电磁超材料结构的微带天线和MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）天线,重点研究了超材料单元对天线性能的提升和改善。论文完成了对上述设计的实验验证。论文的具体工作内容可概括为:1、对谐振型超材料和非谐振的复合左右手传输线（CRLH-TL）型超材料的不同分析方法分别做了研究。对于谐振型超材料,采用S参数反演方法研究了电磁超材料的结构特性,推导相关公式,对比分析了利用NRW算法和K-K关系算法两种提取超材料等效参数的方法;提出并设计了一款新颖的平面螺旋型谐振型超材料结构,对该超材料结构进行详细电子仿真与分析研究。对于非谐振的CRLH-TL型超材料,介绍了求解其色散曲线的方法;提出并设计了一款新型的CRLH-TL型超材料单元结构,并对其色散特征进行仿真研究;2、针对超材料结构用于MIMO天线隔离度提升的方法和实现途径,研究了以下两款加载电磁超材料的MIMO天线结构;（1）为验证前述所提出的超材料的去耦作用,设计了一款工作在3.47GHz的加载超材料的高隔离度MIMO天线,在S₁₁（27）-10dB的阻抗带宽范围内,使得天线的隔离度(S₂₁)从15.5dB提高到了22.8dB;（2）提出一款CPW馈电紧凑型UWB MIMO天线新结构,该天线的整体尺寸为32?32?1.6mm³,通过在天线单元之间加载两个尺寸不同的超表面结构,将超材料的隔离度提高了4.1dB,满足了在工作频段3¹1.5GHz上隔离度大于15dB的应用需求。论文重点分析讨论了超材料结构对MIMO天线散射参数的影响,并完成了实验验证;3、基于提出的非谐振型CRLH-TL型超材料单元,设计新型的宽带多功能超表面应用于微带天线中改善微带天线的带宽和增益性能。通过分别在矩形微带天线的辐射贴片和金属地上蚀刻方形开口环阵列和十字缝隙,使得天线的辐射特性在高频变为端射辐射,得到了带宽为3.68¹6.5GHz,带内峰值增益大于2dB,最高峰值增益达到7.76dB的宽带高增益微带天线,最后还进行基于实物加工与测试的实验验证。论文的相关工作,对电磁超材料的研究工作及其在天线工程上的应用,具有一定的设计参考价值。