静态环形偶极子可以用来解释弱相互作用中的宇称不守恒现象,并且在很多领域扮演着重要角色,如粒子物理、核物理、铁电系统和一些大分子结构中。动态环偶极子是由时变电流沿着圆环面的子午线流动而产生的,由于其电流的独特结构使其具有很多传统电偶极子与磁偶极子所不具备的特性。环偶极子的磁场呈现首尾相接的涡旋状,这就使得这一电荷-电流结构产生的磁场被很好的限制在结构内部,以实现近场的局域作用。环偶极子并不是被电磁波直接激励,而是被电场的时间导数激发。环偶极子与电偶极子具有相同的奇偶性和辐射场,环偶极子长期被传统多极子所掩盖而难以探测。利用超材料电磁参数可调控的特点实现环偶极子的设计,自然材料中微弱的环偶极子增强至可测量范围,甚至高于电偶极子与磁偶极子几个数量级。环偶极子超材料具有很多新奇的特性,如谐振透明、超高Q值、高灵敏度传感、吸波特性以及与电偶极子干涉产生的无辐射效应。本文从理论计算、电磁仿真、参数优化、传输特性及近场分析、实验验证等多个方面对超材料实现的环偶极子及anapole做了深入的研究分析。开展了环偶极子及anapole超材料的模型设计、优化仿真和实验验证等一系列工作。完成的工作有:利用金属型环偶极子超材料实现谐振透明、全介质型环偶极子超材料实现高Q值Fano谐振、微波段anapole超材料吸波器设计以及太赫兹波段环偶极子超材料设计。本文主要研究内容如下:（1）利用非对称开口谐振环实现了环偶极子超材料的类EIT设计。通过仿真及优化,在13.4GHz处透射窗峰值可达0.91,Q值可达55.5。对材料介电常数与磁导率的分析可知,所设计的平面环偶极子超材料能够实现垂直入射电磁波低损耗穿过。通过对各多极子散射能量与结构的传输曲线分析对比能够发现,在透射率达到最大值处占主导地位的多极子由原先的电偶极子变为环偶极子。也就是说在透明峰附近环偶极子增强而电偶极子被急速抑制,这正是由于结构的不对称型引起的。将第一种平面环偶极子超材料的不对称开口谐振环拆分,重新组成一种旋转对称的环偶极子超材料。该结构在9.11GHz处可产生一个高Q值的Fano共振谷。通过金属表面电流以及结构磁场定性的分析环偶极子谐振特点。对入射电磁波电场极化方向与结构产生的环偶极子关系做深入分析。对比本章两种结构中电场极化方向与环偶极子方向相同与不同情况下结构的激发机制。（2）利用高介电常数TP2设计了一种全介质型环偶极子超材料。在垂直入射电磁波激励下,该结构在10.51GHz和16.27GHz两个频点处实现高Q值Fano谐振,其透射峰值分别为0.92和0.9,计算可知两个谐振峰的Q值分别为144和186。通过计算结构中各多极子的远场散射能量可知,所设计超材料结构的两个谐振透明窗处环偶极子增强,电偶极子被抑制。实验与仿真结果基本吻合,对实验测试所得透射峰值较仿真结果低的原因做了详细的分析。对比不同结构参数下全介质超材料谐振峰以及环偶极子强度的变化趋势。另外,利用水的高介电常数特性实现了环偶极子超材料的设计。该设计中用于盛装水的外部结构由3D打印技术实现,由于这一技术在结构加工方面的灵活性,大大降低了模型实现的难度,也为超材料设计的多样性提供了更多的可能。所设计的超材料在1.65GHz处可以激发出一个Q值可达到152的Fano型谐振峰,幅度可达0.995。分析了水在不同电导率情况下透射曲线的变化。随着电导率的增加,水的导电性能逐渐增强,而透射率则迅速减小。由于水的自然友好性及易获取的特点,利用水实现的环偶极子为今后全介质型环偶极子超材料的应用提供了新的思路。（3）设计了一种结构简单且紧凑的anapole超材料吸波器。该吸波器可在10.35GHz处实现对垂直入射波电磁波的吸收,吸收率可达77%。该结构的吸波特性是由于结构中的动态环偶极子与电偶极子相长干涉的同时结构与自由空间阻抗匹配,因此能量被消耗在两层金属条中。用自由空间法对所设计吸波器进行实验验证,所得测试结果与仿真结果基本吻合。利用结构表面电流和磁场对anapole的产生做了定性的分析。分析了环偶极子与电偶极子散射能量差对吸收率的影响,可知,当环偶极子与电偶极子能量相等、相位差π/2时吸收率达到最大值。同样证明了 anapole对吸波器吸收率的决定作用。所设计anapole超材料吸波器对待测物折射率、厚度、液体浓度等均有较高的灵敏度,可用于高灵敏度传感器的设计。由于结构的易实现特点,也可将其用在太赫兹和光波段的anapole超材料设计,并且为完美吸波、超灵敏传感以及隐形信息传输等领域提供了新的设计方法。（4）利用一对镜像对称开口谐振环设计了一种太赫兹波段环偶极子平面超材料。所设计的亚波长结构在2.87THz处具有较高Q值的透射谷,其Q值可达31。利用结构表面电流与磁场的分析和各多极子远场散射能量的对比分析可知环偶极子在太赫兹波段超材料结构中的重要作用。所设计环偶极子超材料对结构表面待测物的折射率具有较高的灵敏度,可用于太赫兹高灵敏度传感器设计。这种太赫兹波段超材料对于环偶极子应用的扩展具有一定的推进,也对于太赫兹高灵敏度传感器的设计提供了一种新的思路。本文通过模型设计、近场特性、远场辐射和实验验证,研究了环偶极子超材料的传输特性,并对产生环偶极子的物理机理进行了详细的分析,对今后利用环偶极子设计谐振透明材料、吸波器、高灵敏传感器以及太赫兹波段超材料具有重要意义。