超材料(metamaterial)指的是一种具有人工设计的周期性或非周期结构并且具有天然材料所不具备的特定电磁特性的复合材料。近年来,同时具有负介电常数ε和负磁导率μ的超材料,更普遍的被称之为左手材料(Left-handed material,LHM),已经得到科学界和工程领域的广泛关注。左手材料的基本电磁特性和物理实现是基于传输线方法进行研究,这为左手材料的应用提供了有效的设计工具。从某种意义上讲,寄生有右手特性的复合左/右手传输线(Composite right/left-handed transmission line,CRLH TL)结构是左手材料常用的微带传输线实现形式,并且在多频小型化天线,滤波器等新型微波器件中展现出了巨大的潜力。本论文主要采用CRLH TL结构来设计天线,旨在提高左手天线的小型化,同时通过双模融合技术扩展天线带宽。这种基于传输线设计的天线结构,电路模型相对比较简单,干扰少,加工方便。本文的研究工作主要总结为以下几个部分:首先设计了一款基于电容耦合左手材料的新型多频小型化微带天线。该天线物理结构新颖,通过内外两个辐射贴片之间的缝隙耦合成左手电容,影响天线模式频率。天线具有三个工作模式:负阶谐振(Negative order resonance,NOR)、零阶谐振(Zero order resonance,ZOR)和正阶谐振(Positive order resonance,POR)模式,通过调节分布参数,可以把零阶谐振模式融合到正阶谐振模式,形成单一的通频带,扩展带宽。为了提高耦合电容的影响,对天线结构进行改进,使左手耦合电容对天线模式的影响更加明显。在此基础上,在天线在底部贴片围绕过孔开一个U型槽,可以在不增加物理尺寸的前提下增加左手电抗参数,降低谐振频率,使天线更加小型化。对天线进行了加工测试,测试与仿真结果基本吻合。其次,依据参考文献,采用最常用的左手交指电容和弯折线电感,设计了一款采用弯折线结构的紧凑型三模超材料单极天线。该天线不需要过孔,结构简单,便于加工,也具有三个工作模式:负阶谐振、零阶谐振和正阶谐振。通过调节分布参数使零阶谐振和正阶谐振两个模式融合成一个单一的通频带,扩展带宽,获得双频段。对设计的天线进行了加工测试,与仿真结果相符。最后,对全文进行了总结,并展望了左手材料天线的发展前景。