作为无源探测定位技术的核心，波达方向估计技术有着极其广阔的应用前景。但传统的波达方向估计技术为了获得较为精确的结果，通常都会在系统前端设置数量众多的天线阵元，这就使系统的构造复杂体积庞大，制造和维护成本较高，从而制约了波达方向估计技术的实际应用。龙伯透镜作为梯度折射率透镜的一种实现小型化的形式，可以将入射的平面波汇聚到透镜边缘的一个焦点上，非常适合作为多波束天线。本文利用梯度折射率透镜的特殊电磁特性，将其应用到波达方向估计技术中，减少系统所需接收天线的数量要求，降低成本和算法难度。本文的主要内容可分为如下几部分：首先，本文基于等效媒质理论，通过推导得出了利用S参数提取等效电磁参数的方法。提出了一种新型的立体十字型结构作为梯度折射率超材料的单元，并计算出了其结构尺寸与电磁参数的对应关系。在此基础设计出三维结构的梯度折射率透镜。仿真结果表明，在平面波入射情况下，该透镜在X波段能够实现良好的汇聚效果。其次，本文将电磁谐振器引入到梯度折射率透镜的设计中来。利用电磁谐振器在低于谐振频率时，其等效电磁参数基本保持一致的特性，通过仿真计算得到了其电磁参数随结构尺寸的变化规律。在此基础上设计出了低剖面型的二维结构的梯度折射率透镜。此外还提出了一种基于高阻抗电磁表面的梯度折射率透镜，通过调整表面波阻抗来控制电磁波的传播路径。由于利用PCB制作工艺即可完成制作，具有透镜制作成本较低、体积小的特点。最后对波达方向估计进行算法的设计。由于梯度折射率透镜可以很好的将电磁波汇聚到一点，因此可以通过最大信号法来实现对波达方向的测量。在透镜边缘放置信号接收装置，旋转透镜的同时检测接收到的信号幅度，当幅值最大时，接收装置和透镜中心所指向的方向就是波达方向。该算法简单易行，而且仿真和实际测量结果显示其精确度较高。