随着无线技术的快速发展,各种无线应用对天线提出了越来越高的要求。传统的天线设计面临巨大的挑战。超材料是由一系列亚波长单元按周期或非周期排列成的人工结构,可在宏观上表现出一系列奇异的电磁特性,而超材料天线作为超材料在微波频段重要的应用方向之一,为高效天线设计打开了一扇新的大门。对于辐射型超材料天线,传统的用于分析超材料的方法如等效媒质理论、等效电路、散射系数等方法无法精确和普适地用于由少量单元构成的辐射型超材料,使得超材料天线的研究受到阻碍。本文针对不同无线应用对天线的不同要求,开展高效超材料天线设计研究。针对辐射型超材料分析方法的瓶颈,采用了特征模分析方法,实现了对不同超材料的精确分析。主要研究分为三个方面。1.开展了超材料天线的设计方法优化与新型辐射结构研究。采用传统的基于特征模分析天线设计方法,将对天线性能的需求转化为对模式分布的要求,从而指导超材料天线辐射结构的优化。在此基础上,提出了一款双极化宽带超材料天线,该天线实现了36%的阻抗带宽、53 dB的隔离度、-41 dB交叉极化。同时,针对多模天线设计,优化了基于特征模分析的天线设计流程,使其能够更好的通过一个馈电结构激励多个特征模式,从而实现宽带特性。通过该设计流程,实现了一款具有单层结构的宽带超材料天线,该天线实现了76%的阻抗带宽和70%的增益带宽。针对单模宽带天线设计,分析了传统特征模分析方法带来的设计隐患,优化了基于特征模分析的单模天线设计方法,从而保障天线能够最大限度的利用一个模式的带宽实现宽带特性,基于此优化后的方法,设计了一款具有单层结构的宽带全向超材料天线,该天线实现了60%的阻抗带宽。2.开展了超材料天线新型辐射结构的设计。利用特征模的正交性,选取了一对具有侧向辐射特性的模式实现圆极化超材料天线。并开展了新型馈电结构的设计以满足不同应用对于圆极化天线的要求。通过优化的馈电结构与混合天线策略,实现了一款宽带双圆极化超材料天线,该天线具有36%的工作带宽,并且其双圆极化特性使得其能够很好地用于微波输能中任意极化接收和无线通信中的极化分集。另外,使用多点馈电策略,设计了一个双十字交叉馈电结构,并在此基础上实现了一款具有宽轴比波束宽度的圆极化超材料天线,该天线具有205°的轴比波束宽带,能够用于不同纬度的卫星信号接收。3.开展了基于超材料天线的多功能天线研究。针对无线设备对于自我维持的需求,探索了超材料天线与太阳能电池的兼容集成。将太阳能电池与天线集成这样的非传统电磁问题转化为特征模分布问题,并采用特征模分析方式找到完美的兼容集成方式。在此基础上,提出了一款能够完美兼容太阳能电池的超材料天线,该天线还具有全向圆极化特性,符合太阳能天线的实际应用场景需求。