微波检测技术因其无损、无接触的探测性质在社会各个方面得到广泛应用，如探测隐蔽物体，研究材料组成、进行生物医疗成像等。现有的微波探测、成像技术主要依赖于时间域测量的雷达、矢量网络分析仪等仪器。而这些仪器均具有体积大，价格贵，难集成、操作复杂等特征。在对微波探测器件和设备民用化、便携化要求日渐提高的今天，基于自旋电子学的微波探测器展现出了独特的优势。该探测器能作为微波的接收装置，并且不需要其他电路元件的介入即可通过自旋整流效应将高频的电磁场信号转化为可直接探测的直流电信号。并且该探测器具有可集成、易便携、宽频探测、局域探测等优势。　　微波相位的探测在应用中有着重要地位，因为相位的探测将提供包括目标的位置和材料的介电常数、磁导率属性等信息。而传统的基于微波探测器的相位测量需要机械调节移相器来获取相位，无法实时获取相位信息，限制了微波探测器的应用。本论文针对上述应用难点，发展了一种实时同时测量微波振幅和相位的办法。并基于此方法，发展了一套新型的微波雷达系统，准确地测量了埋藏在地下的隐蔽物体。　　超构材料具有异于自然界已有物质的新奇介电、磁导特性，超构材料结合微波探测器和新型微波雷达系统协同工作，能够在微波检测的信号增强、阵列采样效率的提升、选频调控方面都有帮助。这其中负折射材料的应用将能担当微波透镜的功能，并可以选频调节微波波动特性。而负折射材料一般都是双面结构以此来分别响应电磁场，如何简化负折射材料的设计使其能更简便地服务于应用是一个迫切的问题。区别于传统的超构材料需要双面结构分别对微波电、磁场耦合产生负折射率的方法，本文从实验上实现了一种基于共面金属结构单元的负折射阵列，简化了负折射材料的设计，更有助于其走向实用。　　在微波医疗成像方面，磁性纳米颗粒可以吸附于肿瘤组织，并且在铁磁共振和非铁磁共振处磁导率有显著的差异，这些磁性纳米颗粒的特性使得其成为微波医疗成像中的有力的对比度增加剂，对提高成像质量有很大帮助。加上磁性纳米颗粒因为具有血管内药物输运和共振热疗等性质，使得研究该类纳米颗粒电磁学响应将进一步有助于纳米颗粒的应用走向优化。鉴于在临床医学中，很难大量获得磁性纳米颗粒用来表征测量，如何发展一种测量微量纳米颗粒的介电性质和磁响应性质的方法是优化磁性纳米颗粒应用的关键。本文基于一种圆柱形波导管的谐振腔及与谐振腔相关的严格理论模型，获得了微量磁性纳米颗粒的介电常数和共振磁导率，该方法将有助于优化纳米颗粒在生物医疗方面的应用　　主要内容如下:　　1.基于自旋电子学微波探测器的相位快速测量技术。　　本节中发展了一种利用电压可控的移相器快速同时测量微波连续波振幅和相位的方法。该方法利用锁相放大器即可实现测量，而不需要倚重于价格昂贵的矢量网络分析仪。为了证明快速测量微波相位方法的正确可靠性，本节利用快速测量相位技术测量了互补式电谐振结构在共振附近的振幅和相位，其结果和矢量网络分析仪测量的结果一致。这使得该方法成为一种利用有力的微波探测和成像的工具，拓宽了微波探测器的应用。　　2.在已建立的快速测量相位技术的基础上，利用固态电子学微波探测器，结合锁相放大器测量微波连续波的相位，搭建了一套新型且小型化的微波雷达探测装置。通过同时测量宽频反射信号的振幅和相位，该雷达装置成功测量了埋藏在沙土下尺寸小于5cm且深度大于5cm的物体。这种基于微波探测器的成像技术是一种新型且经济的检测地下物体的方法，也为小型化雷达的设计提供了新的思路。　　3.区别于传统的超构材料需要双面金属结构分别耦合微波电、磁场提供负折射率的情况，本节在实验上实现了一种共面金属结构实现负折射的超构材料阵列。从实验上通过测量该阵列的透射反射系数，获得了超构材料阵列的折射率频谱，并从频谱上观察到了折射率小于零的区域。且实验上获得的折射率频谱和数值模拟的结果吻合。除了负折射率之外，在微波工作频率覆盖的范围之内，还观察到了正折射率和折射率接近零的部分。本节对透过该超构材料阵列的微波空间分布做了成像，观察到的微波的行进方向和频谱上观察到的三种折射率结果相吻合。该方法简化了负折射超构材料的设计，并可以进一步推广到可见光波段的负折射材料和三维负折射材料的应用中去。　　4.本节利用基于圆柱形波导的谐振腔，在外加静磁场的偏置下，定量地测量了磁性纳米颗粒的介电常数和磁导率。谐振腔测量的高灵敏度使得该方法能够精确获得纳米颗粒的铁磁共振特性，并且在铁磁共振附近的复磁导率被精确度测量出。该共振磁导率的测量结果也已经被改变质量的磁导率测量实验和饱和磁化强度测量实验所证实。该方法对精确获得磁性纳米颗粒的介电性质和磁响应性质有重要的意义，并且对优化磁性纳米颗粒在生物化学领域的应用十分有益。