人工电磁材料是本世纪初物理学和电磁学的重要发现之一。该材料突破了传统电磁场理论中的一些重要概念，其研究成果将会广泛应用于许多重要领域。人工电磁材料的研究是近年来物理学和电磁学前沿的课题之一。作为人工电磁材料的一种，介电常数接近零(Epsilon-near-zero，ENZ)的人工电磁材料具有低折射率，高相速度，近零相移等特点，采用介电常数接近零的人工电磁材料可以设计出很多新型电磁器件和天线。因此有关介电常数接近零的人工电磁材料方面的研究具有重要的理论意义和实用价值。 论文着重研究近零介电常数的人工电磁材料及其应用。作者在总结前人工作的基础上，将模式匹配法和参数提取法相结合用于分析无限大周期结构ENZ人工电磁材料特性，设计了加载ENZ材料的几类高增益天线。同时提出了几种基于ENZ人工电磁材料的高性能天线和微波传输结构，并将ENZ材料用于电磁波相位方向图的赋形设计。 论文的主要研究工作和成果包括以下几个方面： (1)利用模匹配法分析ENZ人工电磁材料的特性，并将该算法与参数提取法相结合，有效提高了仿真周期结构人工电磁材料的效率。通过计算波传输过程中的传输、反射特性，提取出无限大周期结构材料的等效介电常数，等效磁导率，等效折射率等参数，为在实际中对周期结构的ENZ材料进行仿真设计奠定了坚实的基础。 (2)利用了ENZ材料的特性，设计了基于ENZ人工电磁材料的一维全向高增益单极子天线，在提高增益的同时，保持了天线的全向性；提出了圆形孔径的ENZ人工电磁材料覆层，将其应用于微带天线，研究了不同层数ENZ材料对微带天线方向图的影响及其其增益在带宽内的变化规律，设计了覆盖该材料的高增益微带天线；提出了一种新型偶极子孔径结构的ENZ材料，在提高增益的同时显著抑制了其交叉极化，提高了天线的极化纯度；构造了一种基于ENZ材料的新型微带天线结构，能在同一口径面上实现双频双极化特性；基于新型人工材料的色散特性，将人工电磁材料作为微带天线的介质基片，实现了天线的多频段工作特性。数值仿真结果和实测结果表明，所构造的几种ENZ人工电磁材料能有效提高天线的增益，改善天线的辐射特性。 (3)提出了利用ENZ材料实现波导的超耦合传输的途径。采用细导线阵列、介质填充或者阶梯阻抗变换等方法，构造出了波导中的ENZ材料，并据此设计了基于.ENZ人工电磁材料的多种传输结构和天线。结合基片集成波导具有的易于加工制作，成本低，体积小，便于实验测试等优点，设计制作了基于ENZ材料的基片集成波导传输线，对其耦合传输特性进行了实验验证。 (4)研究了人工电磁材料在实现相位方向图赋形中的应用。首先利用ENZ对入射TM波对入射角度的选择性，构造了一种ENZ材料的理论模型，使其对于任意波前的TM来波，都可以通过ENZ材料进行波前赋形，得到所希望的等相位面。其次，分析了ENZ材料对TE波等相位面的赋形特性，利用细导线阵列构造了实际的ENZ人工电磁材料，制作了实验模型，并进行了实验测试。测试结果表明了所构造的ENZ材料对波前赋形的有效性。