电磁超材料(Metamaterial)作为一种可以与某些频率的电磁波产生谐振的电磁材料，其不同于自然界中已存在的材料，是一种由若干个周期排列的单元而构成的人造材料，并被广泛应用于天线的设计上。由于其低成本以及可以调控电磁波的特性，在天线的设计当中引入电磁超材料可以进一步的提高天线的性能，达到需求的波束方向和大小。因此，电磁超材料成为了近些年的研究热点。随着5G通讯技术的到来，对自适应波束、多波束以及通带内的需求，超材料覆层天线是电磁超材料与天线结合的一种新形式，通过电磁超材料与天线的结合调控波束和频带从而达到需求。本文重点研究对象是基于电磁超材料的天线设计，通过电磁超材料与天线的结合，来提高天线的带外抑制、增益以及调控波束方向。具体研究了基于频率选择表面的滤波天线、ka波段传输阵天线以及5G毫米波天线，并对天线的高选择特性、高增益特性以及波束调控特性进行了深入分析并展示了电磁超材料在实现滤波功能、提高增益以及调控波束性能方面的具体应用。
　　本文提出了一种sub-6G通讯基站天线，该天线是基于电磁超材料的高选择性双极化滤波天线。天线的多层耦合辐射结构决定了天线的滤波功能。通过在天线上方设计的超材料覆层，天线在其高通带边缘处具有高的滚降度以及带外抑制，使得天线具有高选择的滤波特性。天线的阻抗带宽为3.25GHz至3.85GHz(VSWR＜2)，天线在通带内的最大增益可以达到9dBi。天线的增益在高通带边缘3.85GHz至4.05GHz可降低43dBi，天线的带外抑制从4.05GHz至5GHz为27dBi，并且满足sub6G通讯指标。基于上述电磁超材料，本文还提出了一款在5G毫米波段的SIW滤波天线。该天线的工作频带覆盖28GHz，并且具有良好的选择特性。
　　本文提出了一种ka波段具有宽透射相位差的电磁超材料单元。该超材料单元由四层结构构成，通过改变超材料上的金属片弧度，可达到247°的透射相位差且超材料单元的透射幅度大于-3dB。根据相位补偿原理，本文设计了一个20×20的传输阵天线，使得天线波束偏转30°。在此基础上，通过电磁超材料覆层与基片集成波导天线(SIW)的结合，在28GHz实现波束调控和扫描。
　　本文还将提出将FSS单元应用于5G毫米波天线，来提高天线的增益。通过电磁超材料与天线单元的结合，使得天线单元的增益提高；根据相控阵原理，设计天线阵列与电磁超材料的结合，提高天线阵列的增益。