人造电磁结构是一种人工合成的功能型结构,具有诸多奇异电磁特性和广泛应用需求,自其发明以来受到学术界和工业界的持续重视和广泛研究。随着微纳加工技术的成熟及加工精度的提高,人造电磁结构的单元尺寸愈来愈小,微观尺度上电磁波和物质之间的耦合互作用机理及效应得到深入研究与应用。目前,人造电磁结构技术研究中仍存在着诸多亟待解决的关键技术问题,如传输损耗大、工作带宽窄、工作频段不易控制调节等缺点,限制了人造电磁结构的广泛应用。有源可控调谐型电磁结构、非线性电磁结构为突破上述技术瓶颈提供了潜在的解决方案。为了拓展人造电磁结构工作带宽,实现其工作频段智能可调等目的,本论文深入研究了新型频率可控调谐型电磁结构和非线性电磁结构的合成机理、设计方法和电磁特性分析方法,在此基础上研制出频率可控可调谐型电磁结构吸波体,设计出基于人造电磁结构单元的微波滤波器、双工器、多工器等小型化功能器件;研究分析了光机械腔体的非线性耦合特性,及其在离心力作用下机械振子的位移机理和效应,研制出基于光子晶体电磁结构的低相噪微波振荡器、超灵敏直流加速度计等芯片。本论文主要研究工作及创新贡献如下:1.在分析铁氧体的磁导率随外加直流控制磁场强度变化而变化的机理及规律基础上,深入研究了基于铁氧体的双频段新型微波电磁结构和单频段太赫兹（THz）电磁结构的合成机理及电磁特性分析方法;设计出铁氧体中嵌入周期SRR-Wire结构、Ω-型结构、长短金属线结构的双频段可调谐型电磁结构,以及铁氧体中嵌入周期金属线的单频段THz电磁结构;分析了这些人造电磁结构中电磁波传输、反射、折射率等特性及工作频率可调谐范围,仿真结果表明这类电磁结构在外加直流磁场作用下的最大调谐率达到2.85 MHz/Oe,调谐范围达到中心频率的23%。2.综合运用电动力学、静磁学和非线性耦合理论,研究了一种磁致伸缩非线性电磁结构中电磁力与弹性力之间的非线性耦合互作用机理和控制规律,研究了磁致伸缩非线性电磁结构的电磁特性仿真和实验测试方法;在此基础上分析了C-波段非线性电磁结构的谐振频率随入射电磁波功率变化时产生的频移范围,测试结果表明当入射电磁波功率从-20 dBm增加到5 dBm时,谐振频率偏移量为1.5MHz;最后提出了基于磁流变液的磁可控非线性电磁结构设计思路与方法。3.采用矩形波导测试法并结合电磁结构吸波体合成机理,研制出了X-波段基于雪花状谐振单元的极化不敏感宽入射角电磁结构吸波体、模式可控单频/双频电磁结构吸波体,基于铁氧体的频率可调谐电磁结构吸波体,以及基于FR4介质覆盖层的机械可调谐电磁结构吸波体;综合运用电磁理论分析、电磁仿真、物理实验等手段,深入研究了此几种电磁结构吸波体的吸波模式、吸波强度的可控规律和吸波工作频率的调谐范围,测试结果表明此类电磁结构吸波体的吸波频段最大调谐范围达到中心频率的20%。4.基于耦合理论并结合电磁仿真验证,分析了两个非对称谐振金属环之间电感耦合和磁感耦合的机理、效应,深入研究了基于非对称谐振金属环的带通滤波器合成机理,设计实现了小型化带通滤波器单元,发展出S-波段小型化高阶滤波器、双工器、多工器等微波器件,仿真和实验研究了这类微波器件的滤波性能和频率选择特性等关键技术问题,测试结果表明此类具有电小尺寸特性的微波器件回波损耗均大于10 dB、最小插入损耗为1.25 dB、端口隔离度均大于20 dB,具备与常规微波功能组件性能相当的技术指标。5.基于光-机械耦合理论,分析了基于光子晶体电磁结构的光机械腔体中光学和机械模式非线性互耦合机理,设计研制了一种集成有片上锗光电探测器的腔体光机械射频振荡器芯片,实验研究了该光机械振荡器的参数光机械振荡功率阀值、输出信号相噪特性、谐波/分频产生特性等关键技术问题;研究了该硅基光机械系统中自由载流子振荡和参数光机械振荡之间互作用机理和自锁频现象、不同机械模式之间互作用机理和频率合成现象;测试获得了低相噪（-125 dBc/Hz@10 kHz）射频频率源和高达6.9 GHz的谐波信号,以及1/2、1/3、1/4等亚谐波信号输出。6.基于光-机械耦合理论,分析了基于光子晶体电磁结构的光机械腔体在外加离心力作用下机械振子的位移机理和效应,研究了一种基于光机械腔体的直流加速度计设计实现方法,并研制出腔体光机械直流加速度计芯片;实验测试了该直流加速度计的频率稳定性、探测灵敏度和分辨率等关键技术指标,并理论推导了该加速度计的探测灵敏度和分辨率热噪声极限、量子反作用噪声极限特性;研究了结构改进型加速度计的光学传输、机械谐振、光机械耦合率等关键性能特性,以及提出了控制光机械耦合率的有效途径,测试结果表明这种直流加速度计的探测灵敏度能达到625μg/Hz,探测分辨率达到8.2μg/（Hz）^1/2,线性动态范围达到43.1dB,同时获得了超过100阶的谐波和1/6亚谐波信号输出。本论文突破了常规电磁/吸波/非线性电磁结构工作带宽窄、工作频率固定不可调谐等技术瓶颈,发展出了多种宽带可调谐的电磁/吸波/非线性电磁结构设计实现方法,显著降低了微波功能器件的等效电尺寸;研制出了集成有锗光电探测器的低相噪微波振荡器,以及超灵敏直流加速度计芯片。本论文研究成果的实现,可用于微波/毫米波通信器件、热/电磁辐射仪、电磁屏蔽/兼容、磁场/压力传感、射频频率参考源/时钟、惯性导航等工程技术领域,应用前景广泛。