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当前，人们对无线通信设备配置的需求愈来愈高，天线作为无线通信的收发部件，对高增益、多频段和小型化的要求愈加的明显。将分形技术应用到普通天线中可以使天线实现多频段、小型化等特性，但是这往往会降低天线的辐射增益。电磁超材料(Metamaterials)是一种人工复合材料，它具有自然界中普通材料所不具备的一些特殊物理性质。电磁超材料一般包括左手材料(Left-Handed Materials，LHMs)和近零折射率材料(Near-Zero-Refractive-Index Materials，NZRIM)等等。由于其具有特殊的电磁特性，电磁超材料可用于改善天线的辐射性能，使天线的指向性更好、辐射增益更大，而且还可以实现天线小型化。因此，本文将电磁超材料和分形技术有效地结合起来并应用于贴片天线，可以使贴片天线在具有多频段、小型化、易共形等特性的情况下同时具有高增益的特性。 本文首先介绍了电磁超材料以及分形天线的相关理论、特性和研究方法。在此基础上，我们将电磁超材料应用于贴片天线中，分别研究了左手材料作为天线的介质基板在分形天线中的作用、左手材料作为覆盖层在分形天线中的作用以及对近零折射率材料高增益性进行了验证。主要研究内容及结果如下: 1.研究了基于二维左手材料的分形三角环天线。通过在分形三角环天线上方覆盖一层二维左手材料来提高其部分频段的增益。利用有限元方法(FEM)进行计算仿真，结果表明二维左手材料在2.4GHz到4GHz频域内具备左手效应，且复合天线在该频段内的两个工作频率具有更高的增益和更低的回波损耗，其中在频率为2.72GHz处最大增益为5.5dB，较普通天线提高了2.03dB;普通天线在3.22GHz处的正向最大增益只有-0.876dB，而复合天线在频翠为3.4GHz处的正向最大增益为4.29dB，较普通天线提高了5.17dB。 2.设计了基于左手效应和近零折射率效应的分形矩形框天线，通过时域有限差分法(FDTD)进行数值仿真。结果表明，该复合天线在15.91GHz频率处，发生电磁谐振，且天线基板在此频率处的相对磁导率和介电常数都为负值，表现出左手效应。由于左手材料可以抑制表面波并形成电磁波的“隧道”效应，所以复合天线在该频率处正向增益最大为6.3dB，较普通天线提高了3倍多。该复合天线在23.23GHz频率处也发生电磁谐振，表现出近零折射率效应，由于零折射率材料对波束具有汇聚作用，所以复合天线在该频率处的增益比普通天线增加了8.3dB。另外，该复合天线的匹配性能也在这两个频率处得到改善，较普通天线具有更低的回波损耗。 3.设计并验证了近零折射率材料在贴片天线中的高增益特性。通过在矩形贴片天线正上方覆盖一层近零折射率材料来验证其对天线增益大小的影响。利用FDTD和FEM方法同时对该复合天线进行计算仿真，两种方法得出的结果表明矩形贴片天线在覆盖有近零折射率材料时增益增加高于6dB;并且矩形贴片天线在整个近零折射率频段都具有高增益且大小相差不超过1dB。因此，仿真结果有效地验证了近零折射率材料具有高增益的特性。