近年来,电磁超构材料理论和应用领域的相关研究受到极大关注。超构材料具有很多天然材料所不具有的电磁特性,因而可实现很多新颖的电磁器件,包括反向波器件、隐身大衣、超构表面、天线等。本文基于电磁超构材料,运用其各向异性和双各向异性的性质,针对片上和天线两个方面的应用展开研究,具体内容包括:1、介绍了超构材料的研究背景及现状,对超构材料具备的典型电磁特性进行了说明,并着重描述了早期异向介质的范畴,介绍了基于超构材料的电磁波定向辐射理论,介绍了天线的相关理论,为实现超构材料在片上和天线中的应用打下了基础。2、基于各向异性的超构材料,设计并实现了一款微波频段的电磁波定向辐射矩形周期平板。对周期单元结构进行本征模式仿真,绘制出宏观上的近似色散关系。根据色散关系,预测并近似观察到电磁波传播角度的范围,得到定向辐射的结论。3、本文设计并实现了一款片上电磁斩波器件,其可以截断电磁波传播并加以观测。对周期单元色散关系中的坐标系进行旋转,使入射波无法发生反射和折射。矩形周期平板沿对角线“劈开”,形成带有斜边的三角形周期结构,类似于坐标系旋转45度,此时的电磁波停留在斜边上。本文通过仿真和实验的方式,论证了各向异性超构材料的这种电磁斩波效应。4、基于磁电耦合特性超构材料的电磁隔离效应,本文还将开口谐振环(SRR)结构与单极子相组合,利用SRR具备高Q值易于实现窄带的特点,设计了一款小型化、上下边缘定向辐射的天线。SRR结构对称,加载到天线上,电流分布等幅同相,SRR枝节共同作用,易产生边射。通过仿真,本文设计的小型化天线具有双频窄带、较强方向性的特点,非常适合实际应用。5、设计并加工实测了一款基于SRR结构的X波段定向辐射天线。单元结构的引入打破了结构对称性,同时具备很强的磁电耦合效应。该天线在没有任何金属作为后向反射器的情况下实现了定向辐射。