无线通信网络的诞生和发展给人们的日常生活带来了极大的便利,社会技术的快速进步为移动通信网络的发展奠定了基础,通信网络使得人们之间的信息交流越来越快捷、高效、安全,随着用户数量的增加和业务服务的层出不穷,流量的需求日益旺盛,但现有的移动通信系统无法满足人们对未来日益增长的通信需求,以频谱资源的高效利用和智能化分配个性需求为代表的的第五代移动通信系统开始崛起。第五代移动通信技术的迅速发展对基站天线提出了更高的要求和挑战,宽带宽、高增益、低剖面、高隔离等等一系列的指标也是未来基站天线的发展方向。通信容量也在不断的接近香农定理的极限。电磁超材料对电磁波幅度相位的响应有着不同于自然界材料的独特反应(零度反射相位、部分反射特性、全反射等等),使其在微波天线领域用着很大应用前景。因此,本文在理论分析和仿真实践的基础上,深入的研究了超材料在sub-6G频段的5G基站天线以及毫米波频段微带天线方面的应用,探究超材料在增益、剖面、隔离度发挥的重要作用。本文的主要研究工作及成果为以下几个方面:1、本文回顾了超材料的发展历史以及国内外前人的研究成果,并梳理了超材料和天线的相关理论和研究指标,其中包含了本文涉及模型所需要的理论基础。2、本文介绍了一种具有谐波抑制的双极化低剖面频率可重构5G基站天线。该基站天线的基本结构是具有谐波抑制的双极化频率可重构偶极子天线,通过可控制PIN开关的通断,使得天线可以覆盖sub-6G的3.3-3.6GHz和4.8-5.0GHz的两个频段,且在两个工作频段分别实现2倍频程的谐波抑制。在此基础上,该天线下方加载缝隙八边形结构的无源电磁超材料使得该天线的方向图在两个工作频段内由全向辐射转为定向辐射,实现了高增益和低剖面的特性,可以很好地满足5G的通信需求。3、本文设计了一种宽带双极化高定向性的Fabry-Perot毫米波谐振腔天线。该天线的馈源是一种缝隙耦合馈电的堆栈式贴片天线,工作在26.5-29.5GHz的毫米波频段。在天线上方半个波长处覆盖有单层8*8的部分反射表面超材料阵列,分析了超材料单元的相位特性,得到了反射相位随频率呈正梯度变化的特性。最终实现了双极化宽带高增益的谐振腔天线。4、本文提出了一种高隔离的微带天线阵列。该阵列天线为工作在毫米波频段的微带天线,分析了微带天线的H面和E面的电场分布,分别设计了天秤座型超材料和连通开口谐振环超材料结构,并分析其表面波带隙特性,最终实现了H面和E面微带阵列高隔离的工作特性。