传统的电磁器件设计方法通过调整少量特征参数以确定特定的期望功能,这强烈依赖于工程师的先验知识以及设计直觉。近年来基于优化算法的电磁器件逆设计方法具有快速化、自动化、智能化等显著特点,使得电磁器件逆设计这一设计理念得到迅速的发展。电磁器件逆设计中关于优化算法的研究目前已相对成熟,但对于电磁器件自身的物理考虑以及理论指导的研究仍较为欠缺。在电磁器件逆设计及其应用背景下,本论文对电磁器件逆设计初值求解方法及关键技术展开了深入的研究,主要工作内容如下:1.根据电磁散射等效源理论,建立了电磁器件逆设计的逆散射模型。从理论上分析了将等效源物理模型作为电磁器件逆设计理论指导的可行性。基于这样的分析,提出了一种基于空域傅里叶逆变换理论的逆设计方法,用以快速设计出实现散射场强度整形的全介电微散射体的散射阵列结构。基于该方法,通过解析计算便可从给定目标区域处期望实现的散射场强分布出发逆向求得所需的等效源。此后基于微散射体等效理论,逆向设计微散射体阵列,该步骤同样只需通过解析计算便能够快速地求取出微散射阵列的电磁参数值分布。在二维算例中,基于提出的快速逆设计方法设计出了微圆柱体阵列结构,在给定的线段目标区域实现了预期的Sinc函数以及三角形状散射场强分布;在三维算例中,基于提出的快速逆设计方法设计出了微球体阵列结构,在给定的方形面目标区域实现了预期的准贝塞尔光束的横截面状散射场强分布。理论计算结果与全波仿真结果吻合良好,充分说明了该逆设计方法的可靠性与有效性。与目前的基于优化的散射电场整形器件逆设计方法相比,该方法不仅快速简便,仅通过计算便可实现,而且在复杂散射场整形效果上表现更好。2.对光子波导器件的等效源模型进行了研究,提出了一种光子波导器件逆设计的初值求解方法。该方法基于等效源理论,利用时间反演电磁波空间聚焦特性,通过求解器件设计区域物理结构等效源分布从而指导确定光子波导器件的良好初始拓扑结构,具有快速便捷的优点。以波长1300nm的光子波导90°弯曲传输器件与光子波导90°弯曲-功分器件作为具体逆设计算例,通过提出的初值求解方法分别快速确定出器件的初始拓扑结构。全波仿真结果表明获得的器件初始拓扑结构初始性能良好,传输效率接近50%,远远高于随机猜测结构的初始性能。此后研究了材料分布优化方法以及结构材料离散二元化的关键技术,并将求得的初始拓扑结构作为逆设计优化的起点先进行材料分布优化,获得满足器件性能目标的连续材料分布器件,随后再进行结构材料离散二元化优化,获得满足器件性能目标的硅-空气材料二元化分布结构。相比于随机猜测作为逆设计初始结构,结果表明提出的初值求解方法获得的器件初始拓扑结构不仅初始性能更好,而且作为逆设计优化合理起点会有效提高优化收敛速度,大大减少优化次数,提高器件逆设计效率。该方法有望为电磁器件逆设计提供新的思路。3.研究了基于光啁啾器件的时域波形反转系统,并详细地推导建立了其理论模型,解释了微波时域信号进入模块中时域反转的原理。提出利用色散光纤作为光啁啾器件,在实验室建立了微波光子时域波形反转模块。实验表明该模块可实现时长1.2ns、带宽10GHz的任意微波时域信号的时域反转。基于光啁啾器件的时域波形反转模块,建立采用时间反演技术的超宽带室内通信系统。该通信系统使用全模拟设备进行了初步的信息传输实验,实现了信号检测、时域反转、实时调制和信息传输一体化。在此基础上,建立了该系统核心元件光啁啾器件逆设计问题模型,基于硅基光子波导对啁啾器件逆设计进行了原理性研究,逆设计了同时满足S参数幅度和相位期望参数的光子波导器件。同时,以光子波导啁啾器件逆设计为算例,将基于时间反演技术的光子波导器件逆设计初值求解方法应用于啁啾器件逆设计中,利用中心波长处的器件初值确定器件初始结构,结果表明获得的器件初始拓扑结构能够有效提高器件逆设计效率,表明提出的初值求解方法有望为复杂电磁器件逆设计的发展带来潜在的意义。