相比于其他类型的天线,平面天线在集成度上有着巨大的优势。因此,平面天线在通信、成像等系统上有着广泛的应用前景。然而工作于太赫兹频段的平面类天线的定向性较低,制约了平面天线的应用范围。因此,研究和开发具有高增益、低剖面、能够实现平面集成的太赫兹天线在实现未来的太赫兹通信系统方面具有重要的现实意义。而研究和设计具有高增益特性的太赫兹平面透镜天线是当前的太赫兹天线技术研究中的热点方向。因此,本文在研究近零折射率超材(ZIM)的基本性质和设计方法的基础上,改进设计了三种不同的具有宽频带特性的ZIM单元。将ZIM应用于太赫兹平面透镜天线的设计中,探索利用近零折射超材料提升平面天线的增益,以满足新形势下对天线性能的要求。本论文的主要研究内容如下:(1)首先,对ZIM进行了系统的分类,在此基础上给出了各向同性近零折射率超材料(IZIM)的基本性质。另外,通过传输矩阵法详细分析不同类型的ZIM的透射特性。其次,简要介绍了超材料参数提取的具体方法。最后,分析并概况了左手材料的设计原理,并在此基础上总结了ZIM的一般设计方法和步骤。(2)利用开槽的方法设计了两种改进型的渔网结构,其传输系数幅值大于0.9的相对带宽分别为20.3%、25.3%,折射率|9)|<1的相对带宽分别为10.2%、12.7%。并分析了等效阻抗与透射特性之间的关系。在此基础上,详细分析了折射率|9)|<1的频带内折射率随频率的变化特性,给出了频带内折射率随频率的变化特性的原因。(3)研究了三维各向异性近零折射率超材料(3D-AZIM)的基本性质。在此基础上分别设计了相应的电、磁谐振器,并根据设计好的电磁谐振器设计了一种宽带双零3D-AZIM。(4)首先研究了太赫兹平面天线的辐射特性,并设计了工作于112GHz的采用不同馈电方式的微带贴片天线和工作于120GHz缝隙耦合馈电的等分贴片天线。并着重研究了介质谐振器对天线性能的影响,在辐射贴片上覆盖一定尺寸的规则形状的介质谐振器能够实现1d B-2d B的增益提升效果。(5)利用所设计的不同ZIM单元构成了3种透镜覆层,将其与馈源天线复合组成太赫兹平面透镜天线,仿真分析了透镜覆层对增益等性能的影响。所设计的透镜天线在工作频带内的最高增益分别为14.1d B、14.76d B、13d B、12.3d B。相比于基本的参考天线,增益在工作频带内最大提升了7d B。为了探索研究ZIM覆层提升天线增益的机理,仿真分析了理想ZIM覆层对偶极子天线馈源的影响。利用ZIM的特性,结合太赫兹平面天线工作原理,本文提出了ZIM覆层加载的太赫兹平面透镜天线,在保证天线阻抗带宽特性的同时有效提升了馈源天线的增益。