微波传感器凭借其良好的传感性能,在生物医疗、精密工艺和科学研究等领域有着非常多的应用。近年来,随着超材料（Meta-Metamaterials,MTMs）技术和微波传感器技术不断深入融合,利用超材料结构特殊的电磁特性设计高性能的微波传感器已经成为时下热门的研究方向。为实现微波传感器的高性能检测,本文以超材料结构为基础,分别设计了用于角度位移检测和固、液体介电常数检测的超材料微波传感器,并进行便携式传感系统的搭建。主要的研究工作如下:首先,针对角度位移量检测问题,设计一款基于半模基片集成波导（Half Mode Substrate Integrated Waveguide Resonator,HMSIW）结构的超材料角度位移传感器。传感器将HMSIW作为参考面,在上方放置相对参考面可以自由旋转的互补开口谐振环（Complementary Split-Ring Resonator,CSRR）作为旋转体。当上层CSRR旋钮相对参考面自由旋转时,会引起传感器的频率偏移。通过电磁仿真对传感器进行设计,并分析传感器的工作原理和不同角度下的传感特性。仿真结果表明,该传感器从0°到180°变化时,频率偏移达到了1.81GHz。其次,针对固体物质介电常数测量问题,设计一款基于慢波（Slow Wave,SW）结构的半模基片集成波导（Slow Wave-Half Mode Substrate Integrated Waveguide,SWHMSIW）的超材料介电常数传感器。传感器在HMSIW上加载金属化盲孔阵列,将大部分电场集中在上基板表面上,表现出典型的慢波效应。在HMSIW平面上刻蚀带有“T”字型的CSRR,使得检测区域的电场更加均匀和集中。仿真和实验结果表明,每单位介电常数的谐振频率偏移量达到124MHz。介电常数检测的相对误差小于1.5%,检测灵敏度达到了2.76%。然后,针对液体物质介电常数测量问题,设计一款基于基片集成波导-互补开口谐振环（Substrate Integrated Waveguide-Complementary Split-Ring Resonator,SIWCSRR）结构的容器式介电常数传感器。传感器使用柔性介质基板围成容器的侧壁,通过微带线与SIW-CSRR结构将底部介质基板的电场引入到柱形容器的内壁,增强了待测液体区域的电场强度。仿真和实验结果表明,每单位介电常数引起的频率偏移量为156MHz,介电常数检测的相对误差低于2.0%,测试灵敏度达到3.85%。最后,针对微波传感器测试问题,提出一种基于超材料结构的便携式介电常数传感器系统。传感器系统分为超材料微波谐振器部分和信号处理电路部分。通过所设计的信号层电路激励和接收谐振信号,将频率信号转换为介电常数的值并通过LCD屏幕显示出来。仿真和实验结果表明,传感器系统检测的介电常数的灵敏度达到了2.10%,相对误差低于3.0%。