随着无线通信系统的快速发展,基于传统材料和工艺设计的非线性器件面临着越来越多的问题。石墨烯作为一种新型二维碳基材料,凭借独特的非线性电磁特性及动态可调的特点在高频电子器件领域展现了广阔的应用前景。因此,对石墨烯非线性电磁特性分析与应用研究具有重要的研究意义。通过对国内外石墨烯非线性器件调研及石墨烯非线性理论的分析,对石墨烯非线性器件进行不同电路结构的研究与设计工作,探究了回收网络、电偏置及气体调控的方式对石墨烯非线性器件工作效率的影响。本文工作包括以下几个方面:(1)通过电子运动规律的基础理论分析对石墨烯材料的非线性电磁响应做出详细描述。对石墨烯三阶非线性效应的理论分析可以知道:在电磁波激励下石墨烯材料具有奇次谐波输出特性。对石墨烯二阶非线性效应的理论分析可以知道:石墨烯材料本身的对称性抑制二阶效应,但可以通过不同形式的调控促使二阶效应的产生。(2)石墨烯电路的非线性特性分析与特性验证。简单分析了接触金属、衬底材料对石墨烯材料性能的影响。由分析可知:石墨烯材料与铜接触不影响石墨烯的本征电子特性,选用高介电常数的衬底材料可以减小对石墨烯材料性能的影响。对石墨烯电路的测试可以知道:微机械剥离这种方式制作的多层石墨烯材料加载到电路上依然具有非线性特性。并通过对石墨烯混频器和反向并联肖特基二极管混频器的混频频谱对比分析,验证了石墨烯三阶非线性电磁理论。(3)偏置电压可控的石墨烯倍频器设计。根据石墨烯的非线性电磁响应理论及动态可调的特点,制作了电压可控的石墨烯倍频器,倍频器电路结构上采用回收网络进行优化设计。当基波信号为0.82GHz和16d Bm时,无偏置电压和回收网络的石墨烯倍频器的最小差损为26.72d B;施加偏置倍频损耗降低了3.04d B;施加偏置调控和使用回收网络倍频损耗降低了6.15d B。测试结果表明:施加偏置电压和回收网络均可提升石墨烯倍频器的工作效率。电压可控的石墨烯倍频器在无偏置电压下为三倍频输出,施加偏置电压后能实现二倍频输出。在不改变电路结构的情况下,仅通过外部偏置电压就可以改变倍频次数,实现宽带倍频输出。(4)石墨烯在气体环境中非线性特性应用研究。在氨气环境中探索了不同偏置条件下石墨烯的输出谐波功率和直流电阻的变化。对丁烷气体进行了初步感测实验。测试结果发现,氨气环境中的石墨烯气体感测电路在1V偏置电压下输出谐波功率的变化率比直流电阻的变化率大约高20%,无偏置电压下的三次谐波输出功率有小幅度提升。丁烷气体环境中的石墨烯气体感测电路在1V偏置电压下二次谐波输出谐波功率也会增大。本文针对石墨烯的非线性特性进行分析,探索了不同特性的具体应用。为深入探索研究基于石墨烯的非线性器件奠定了基础,也对研究其它非线性材料及电路具有重要的借鉴意义。