基于量子效应的微波电场测量技术是量子传感领域重要的应用之一,该技术具有灵敏度高、准确性好、可以直接溯源到SI常量等优点。原子气室是该测量方法中关键的原子器件,但其本身会对微波电场测量的准确性产生影响,因此如何减少原子气室内电场扰动成为亟需解决的问题。电磁超材料作为一种人工复合材料对电磁波具有出色的调控能力,是电磁调控技术的重要手段之一。本文以原子气室为研究对象,分析了气室内部的电场分布及其影响因素,并提出两种用电磁超材料构建的原子气室模型,同时对新气室所含超材料进行了设计和实验验证。本文主要研究内容如下:本文将立方原子气室简化为五层介质模型,理论推导了均匀平面波垂直入射时原子气室内部电场分布,通过仿真研究了气室内径尺寸、壁厚、相对介电常数对气室内电场分布的影响,并引入电场偏离度的概念对气室内外电场差异进行定量评估。同时提出了两种利用超材料构建的新型原子气室模型,透射型原子气室和吸波型原子气室,两种气室包含人工磁导体、低介电常数超材料和吸波超材料,新气室与常规气室相比具有低电场扰动特性。本文对低电场扰动气室模型中所包含的电磁超材料进行了结构设计和样品制备。设计了基于玻璃基材的方形贴片结构人工磁导体、卷曲方环结构低介电常数超材料和卷曲十字结构吸波超材料,仿真结果表明三种超材料在10.22 GHz分别实现了同相反射功能、低介电常数特性以及对TE电磁波92%的吸收。同时利用热蒸发镀膜技术、柔性PCB等工艺对这三种超材料样品进行了制备,并通过波导法在X波段进行测试,实验结果和仿真基本符合。本论文提出的含电磁超材料原子气室模型,是微波电场精密测量器件优化和电磁超材料应用方向的一种尝试,论文中超材料的结构设计和样品制备方法对超材料与气室结合也具有一定的借鉴意义。