微波异向介质(Metamaterials)是在传统媒质中加载特殊几何结构,构造出具有奇异电磁特性的人工电磁材料,其单元尺寸远小于激励电磁波的工作波长。传统媒质的原子或分子的属性决定材料的电磁特性,而微波异向介质的奇异电磁特性来自于微波异向介质所采用的各种人造特殊结构。由于它在微波器件、天线等领域有着非常广阔的应用前景,因此科研工作者开展了广泛研究。本文建立了不同结构微波异向介质电磁特性的宏观等效电路模型,就平面微波异向介质在小型化、宽带和圆极化天线的应用进行研究,主要有以下几个内容:第二章研究微波异向介质加载的电小天线。从微波异向介质单元出发,研究微波异向介质等效媒质参数和亚波长谐振理论,分析复合左右手(CRLH)传输线结构的奇异特性,理论解释了天线谐振频率降低的物理机理。提出一种结构简单紧凑的梳状线左手等效电感,在地板上刻蚀周期条形缝隙,微带馈线、主辐射单元与条形缝隙地板间的耦合表现出左手特性,构成复合左右手传输线。通过等效电路分析传输和谐振特性,推导出零阶谐振(ZOR)天线带宽的解析计算式,提出了一款CRLH传输线谐振电小天线。深入研究负介电常数(ENG)零阶谐振器的谐振原理和特性,利用共面波导馈电设计灵活和便于集成的特点,采用左手梳状线电感直接连通共面波导馈线和接地板,研究两单元的ENG等效电路模型,提出一款ENG传输线谐振电小天线。解决电小天线增加带宽的难题。第三章研究ENG传输线宽带天线和CRLH宽带端射天线。人造阻抗表面(AIS)是一种刻蚀在电介质基板上的周期金属单元阵列。通过两个金属化过孔,Y型贴片与AIS相连,非对称Y型贴片和AIS构成ENG传输线谐振天线。深入研究复合左右手传输线的等效介电常数、磁导率与分布参数间的关系,ENG传输线天线同时激励ZOR、一阶谐振(FOR)和二阶谐振(SOR)模式,并且将FOR和SOR合并成一个通带,由此产生宽带特性。利用SRR阵列能产生磁谐振,在辐射贴片周期刻蚀互补开口谐振环(CSRR)阵列,在地板上周期刻蚀条形缝隙,利用CSRR阵列和地板条形缝隙阵列间的耦合,构成CRLH传输线天线,激励ZOR和FOR谐振,并将双带融合为一个宽带,不同于常规天线的主辐射方向在贴片的法线方向,该天线主辐射方向为端射。解决小型化天线降低剖面、增加带宽和减小地板尺寸的难题。第四章研究双带微波异向介质圆极化天线。研究小型化和圆极化CRLH传输线谐振天线的等效电路理论和物理机理,分析复合左右手传输线结构的色散特性,利用这种CRLH传输线结构来设计圆极化天线。采用结构紧凑的梳状线电感、缝隙电容等分布式参数元件分别构成左手并联电感和左手串联电容,通过CRLH传输线等效电路分析亚波长谐振原理及带宽拓展机理,通过调整优化等效电路的串并联的电容和电感参数,同时激励ZOR和FOR拓展天线带宽,设计三单元的梳状线左手并联电感,利用不对称性引入微扰激励起圆极化电磁波,提出CRLH传输线双带圆极化天线。设计两单元的梳状线左手并联电感,提出CRLH传输线双频多极化天线。解决圆极化天线尺寸大和馈电复杂的难题。第五章为全文微波异向介质天线研究工作总结和下一步研究工作展望。