电磁超材料（Metamaterial）是一种新型人工合成材料,通过在介质基板中嵌入人工设计的几何结构单元,实现特殊的电磁性质。在超材料的研究中,手性超材料占据着重要的地位,螺旋结构作为自然界中最普遍的手性结构,在圆偏振器和极化转换器等方面有着广泛的应用。2009年,J.K.Gansel就首次使用金属螺旋作为超材料单元,发现了金属螺旋结构在光波段具有良好的宽频圆二色性,并在此基础上研制了圆偏振器,引起了广泛的关注。但是螺旋结构无论作为圆极化天线还是极化转换器,都存在着轴向尺寸大、结构一致性差、易变性和难以集成化等问题,且多臂螺旋的制备过程比较复杂,不利于加工。因此,研究使用PCB等平面金属结构进行螺旋结构的平面化设计,并实现相似的电磁特性,具有重要意义。本文研究的主要工作如下:首先,对螺旋线和平面螺旋环两种传统螺旋结构的超材料特性进行研究。设计了工作在微波段的金属螺旋和阿基米德螺旋结构,分别对单臂和多臂的情况进行仿真与分析,并讨论轴向尺寸对性能的影响。仿真结果表明,单臂和双臂金属螺旋线能够实现宽频带的圆极化波差分吸收,三臂螺旋结构不具有这种特性,且轴向尺寸越大,差分吸收特性越好,使用螺旋天线的理论对这种性质进行理论解释。和金属螺旋的性质不同,阿基米德螺旋能够实现极化不敏感的窄带吸波,且螺旋圈数越多,吸波效果越好。此外,还推导了一种S参数反演法来近似计算超材料的等效电磁参数。接着,针对传统螺旋轴向尺寸较大的问题,提出使用PCB上的平面金属结构及通孔进行平面化多层螺旋结构的设计。所设计的结构和金属螺旋具有相似的结构对称性,对平面化螺旋结构进行仿真,并讨论螺旋臂形式、螺距等参数的影响。仿真结果表明,平面化双臂螺旋结构能够实现圆极化波的差分吸收,平面化四臂螺旋结构能实现双向的极化不敏感吸波,但工作频带都较窄。尝试从RLC谐振电路的角度,对设计结构的电磁特性进行分析,并使用S参数反演法计算所设计超材料的等效电磁参数。最后,考虑这种设计方式的其他应用。使用这种多层结构的设计方式进行螺旋天线的设计。参考法向模螺旋天线的相关理论,设计了一款工作于5GHz附近的平面化双臂螺旋天线,并讨论了螺旋半径等参数的影响。仿真结果表明,该设计能够实现良好的轴向圆极化辐射。与传统的螺旋天线相比,整个天线结构的轴向尺寸较小,便于集成化,为螺旋天线的设计提供了新的思路。