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麦克斯韦方程揭示了物质的电磁参数决定着电磁波的行为。人工电磁材料因其具备自然界中不存在或极为少见的电磁参数，同时其电磁参数可人为设计和灵活调节，从而赋予了人们对电磁波更为有效的操控方法，在光学成像、光信息存储、微波工程、医学成像、军事技术等领域有着广泛的应用前景。 本论文主要开展人工电磁材料在电磁波吸收和辐射中的应用研究。基于已有报道的单极化人工吸波结构，研究并提出对入射波极化不敏感的全极化吸波结构。在此基础之上，进一步探索了人工电磁吸波结构频带展宽的方法，设计和实现了动态可调节的吸波结构。以传统Fabry-Perot天线为原型，使用人工电磁结构优化天线性能，实现了三种不同功能的基片集成高增益天线。相比于传统Fabry-Perot天线，这几款基片集成天线体积小，易于系统集成，机械特性高，适合低成本批量生产。 本文的创新工作主要包括以下几个方面: 1.以已有文献报道的单极化人工吸波结构为基础，通过正交摆放单极化单元结构和直接设计对极化不敏感的对称结构两种方法，实现了微波段的全极化人工吸波结构，仿真并实验验证了其吸波特性。最强能量吸收达97％，结构厚度约1/30工作波长。实验研究了斜入射情况下结构的吸波特性，结果表明在0°至50°范围内吸波强度均不低于80％。 2.探索了几种人工电磁吸波结构频带拓展的方法。首先，使用尺寸不同的谐振结构构成具有双谐振频率的人工电磁吸波结构单元，可使-3dB吸波带宽从单谐振频率结构的4.1％提高到8.4％。其次，研究了加载电阻的人工电磁吸波结构吸波特性和加载电阻之间的关系，发现加载电阻可以有效拓宽吸波带宽，在保证峰值吸收强度-10 dB条件下-3dB带宽可达30％。最后，将人工结构与铁磁性吸波材料复合，使得复合吸波材料具有来自于人工结构和铁磁材料的双重吸收峰，改善铁磁材料的低频特性，在2-5 GHz频段实现了优于-10 dB的平坦吸收特性。 3.在结构中集成微波二极管，首次实现了吸波工作状态的动态调控。在通过单极化谐振单元正交摆放形成的全极化吸波结构中引入二极管，调节二极管的导通程度控制单元的谐振强度，从而实现了吸波强度从全吸收到全反射连续动态可调。控制某一方向上二极管的导通与截止，可以有选择地对某一极化的入射波全吸收而对与之正交极化的入射波全反射。微调二极管的偏置电压可以使吸波结构对0°至50°范围内的入射波保持一致的完美吸收，克服不可调吸波结构在大入射角度下吸波性能下降的问题。研究了工作于偶极子状态的吸波结构，控制集成二极管的导通状态实现了双吸波频带间的动态切换。改变二极管加载位置可以调整切换频率间的频率差。 4.提出了基于人工电磁结构的基片集成高增益Fabry-Perot平面天线。使用印刷电路技术(PCB)，在接地介质基片上集成作为部分反射屏的人工电磁结构，形成Fabry-Perot谐振腔，并在其中嵌入馈源，实现了增益15 dBi，厚度约1/4波长的线极化和圆极化高增益天线，口径效率达83％。在腔体内嵌入多个馈源，切换馈电端口，实现了固定频率下±15°波束扫描功能。研究了非馈电端口负载性质对于波束宽度和扫描性能的影响。对天线内部场分布的分析揭示了腔体内的漏波模式，波束扫描的机理和损耗分布。对天线尺寸和基片介电常数进行了参数研究，为加工设计此类天线提供了指导。