随着微波技术的应用与发展，电磁波与生物组织之间相互作用的研究显得越来越重要。研究它们之间相互作用与影响的前提是必须要对生物组织的介电特性有清楚的认识和了解。其中对生物组织介电常数的测量是不可或缺的一项重要研究工作。本文以自由空间法为基本原理，对测量系统进行改进，对具有不同介电特性的多种代表性生物材料在多个毫米波频率点的复介电常数展开测量，比较了典型测量方法的精度和误差。首先，我们选取适用于毫米波段的自由空间法为研究方向，并对基本的自由空间法原理进行推导，应用到三层介质介电常数的测量中。其次，在普通自由空间法测量方案的基础上对其改进。普通测量方案的电磁波在传输过程中，经过待测样品时会不同程度地产生绕射现象，从而影响测量精度。为了提高测量质量，本文设计了两种测量方案：一种是在发射和接收喇叭天线口面处根据透镜天线原理各设计一个单面双曲透镜，来转换电磁波的等相位面。另一种方案根据聚焦透镜的原理设计了一对双面双曲透镜，对电磁波进行聚焦，以最大程度地减少样品处的电磁波绕射现象。再次，建立上述两种设计的仿真模型并对多种生物材料的复介电常数进行测量，并对仿真结果进行比较。比较说明，双面双曲透镜测量方案的测量精度优于单面双曲透镜测量方案。最后，选取测量精度较高的双面双曲透镜测量方案，对两种不同介电特性的固体组织（肌肉和脂肪）的复介电常数进行了测量。测量结果说明，肌肉组织复介电常数的测量精度比脂肪组织高，两者介电常数实部的测量精度都比虚部要高。接下来，对两种不同介电特性的液体材料（培养液和纯水）的复介电常数进行了测量。结果说明，从复介电常数实部和虚部取值的大小上来看，两者均表现出了对取值小的部分测量误差是取值大的部分测量误差的近似2倍。