Активна наукова діяльність Михайла Юхимовича Ільченка розпочалася понад сорок років тому, і вибір його наукового напряму продиктувало саме життя. В ті роки активного протистояння СРСР і США у сфері високотехнологічного озброєння Радянському Союзу необхідно було, зокрема, розробити конкурентні радіоелектронні комплекси, що вирішували б проблеми радіолокації та радіорозвідки. До виконання цих завдань були залучені найкращі наукові колективи країни, в тому числі і колектив кафедри радіотехніки Київської політехніки, очолюваний засновником радіотехнічного факультету професором Володимиром Васильовичем Огієвським, який спільно з доцентом Олександрою Якимівною Бокринською організував високопрофесійний колектив, що виконав чимало розробок в інтересах оборони держави і згідно з відповідними спеціальними постановами уряду країни. До складу цього творчого колективу був залучений М.Ю.Ільченко.
Які саме чинники вплинули на вибір напряму наукових досліджень М.Ю.Ільченка? Передусім, це необхідність виконання складних технічних завдань наукових розробок створюваної апаратури. Відомі традиційні технічні рішення мікрохвильових пристроїв не задовольняли поставлені вимоги, і цим пояснювалася необхідність проведення нових наукових досліджень. Ці дослідження стосувалися насамперед вирішення фізико-технічних проблем створення радіотехнічних пристроїв і систем, функціональні можливості яких ґрунтувалися б, зокрема, на використанні різних фізичних явищ у феритах і діелектриках при їх взаємодії з мікрохвильовим випромінюванням у різних електродинамічних системах. До вирішення зазначених проблем були залучені провідні наукові установи Академії наук СРСР і радіоелектронної галузі країни.
Наукові здобутки М.Ю.Ільченка полягають у наступному.
По-перше, це фундаментальні наукові дослідження, що привели до створення нового класу твердотільних коливальних систем з діелектриків і феритів. Він виявив, математично змоделював та систематизував найбільш загальні закономірності взаємодії з електромагнітними полями надвисоких частот феритових і діелектричних елементів, які розміщені в різних хвилевідних системах і мають резонансний характер зазначеної взаємодії. Така взаємодія зумовлена різними фізичними явищами, а саме: феромагнітним резонансом у феритах, об'ємним резонансом у діелектричних елементах, резонансними явищами в планарних діелектричних структурах. Головна особливість запропонованого ним підходу – це знаходження зазначених закономірностей як функцій комплексних коефіцієнтів зв'язку, що були введені М.Ю.Ільченком із польових міркувань. Систематизація закономірностей давала змогу прогнозувати характеристики взаємодії в різних конкретних випадках.
Зовнішні характеристики систем знайдені у вигляді коефіцієнтів проходження чи відбиття. М.Ю.Ільченко вивів десятки нових формул, які вперше математично описали характеристики резонаторів у різних лініях передачі електромагнітних хвиль. Знайдені співвідношення вперше дали можливість якісно і кількісно описати фізичні ефекти асиметрії резонансних характеристик, підвищеної частотної вибірності, повороту площини поляризації електромагнітних хвиль у хвилеводі, наявності полюсів підвищеного затухання, впливу вищих типів електромагнітних хвиль, що збурюються резонаторами і не розповсюджуються в лініях передачі та інші. Що стосується фізичних ефектів, то необхідно зазначити, що деякі з них були виявлені саме М.Ю.Ільченком. Так, наприклад, до робіт М.Ю.Ільченка вважалося, що поворот площини поляризації електромагнітної хвилі в круглому хвилеводі з феритом зумовлений тільки ефектом Фарадея і є прямо пропорційним лінійному розміру фериту та його дійсній частині магнітної проникності. М.Ю.Ільченко експериментально виявив і потім теоретично довів, що за певних встановлених ним умов феритовий елемент майже з нульовим лінійним розміром може викликати значний поворот площини поляризації саме в режимі резонансу. Механізм виявленого повороту зумовлений не дійсною, а уявною частиною магнітної проникності фериту. Як результат цих досліджень М.Ю.Ільченко в 1968 р. у провідному журналі Академії наук СРСР "Радіотехніка та електроніка" опублікував оригінальну статтю "Явище резонансного повороту площини поляризації в круглому хвилеводі з феритовим резонатором". Ця стаття вперше висвітлила основні закономірності резонансного повороту площини поляризації і окреслила засади розвитку нового напряму досліджень. Також уперше М.Ю.Ільченком було експериментально (а потім і теоретично) виявлено ефект зростання коефіцієнта поглинання мікрохвильової енергії аж до його максимально можливого значення при збільшенні рівня потужності вище критичного значення в режимі нелінійного феромагнітного резонансу. М.Ю.Ільченко запропонував модифікувати дисипативний член класичного рівняння вектора руху намагніченості фериту, додавши до параметра, що традиційно враховує теплові втрати, ще параметр, який враховував би також втрати на перевипромінювання.
Виявлені інші закономірності взаємодії, отримані оригінальні формули для характеристик конкретних систем, а також співвідношення для коефіцієнтів зв'язку дали можливість ученому запропонувати десятки нових технічних рішень резонансних пристроїв, захищених авторськими свідоцтвами на винаходи, оптимізувати конструкції ряду пристроїв, а також створити методи інженерного розрахунку частотно-вибірних пристроїв нового покоління, що вигідно відрізнялися від їхніх попередників у 50-100 разів кращими масогабаритними характеристиками. Пізніше, через десятиріччя, провідні фахівці країни (серед яких академік Володимир Мефодійович Яковенко) назвуть зазначені наукові статті "класичними роботами". Тож закономірно, що впровадження отриманих М.Ю.Ільченком результатів у практику відзначено в 1983 р. Державною премією УРСР у галузі науки і техніки. Ця премія присуджена за цикл науково-практичних робіт, які дали змогу створити в СРСР і впровадити в практику новий науково-технічний напрям – діелектроніку. Цей напрям ґрунтується на використанні фізичних явищ у діелектричних матеріалах з високою температурною стабільністю їхніх параметрів. У рамках відзначеної роботи були створені саме такі нові діелектричні матеріали, а також вирішені проблеми математичного моделювання взаємодії діелектричних резонаторів з полями надвисоких частот.
По-друге, М.Ю.Ільченко провів дослідження з метою створення нового класу мініатюрних твердотільних пристроїв, до складу яких поряд із діелектричними резонаторами входили активні напівпровідникові прилади (транзистори, діоди Ганна та ін.). Їх сукупне використання дало можливість створити ціле покоління мініатюрних пристроїв відповідно до конкретних вимог розробників мікрохвильових інформаційних систем радіорозвідки і супутникового зв'язку, що створювалися в інтересах оборони держави згідно з відповідними постановами уряду СРСР. Нові технічні рішення діелектроніки знайшли застосування також при створенні інформаційних систем цивільного призначення. Їхнє широкомасштабне впровадження відбулося в наступні десятиліття й ілюструється тим фактом, що сьогодні діелектричний резонатор є невід'ємною складовою частиною кожної із сотень мільйонів параболічних антен індивідуального прийому супутникового телебачення у всьому світі.
За створення спільно з науковцями та виробниками електронної галузі СРСР пристроїв із якісно новими характеристиками і впровадження їх у радіоелектронну апаратуру супутникових телекомунікацій спеціального призначення М.Ю.Ільченка удостоєно звання лауреата Державної премії СРСР у галузі науки і техніки за 1989 р.
По-третє, з 90-х років, коли в умовах розпаду СРСР науково-технічні розробки для потреб військового комплексу майже припинилися і особливо відчутною стала проблема ліквідації істотного відставання нашої держави в сучасних засобах телекомунікацій, під керівництвом М.Ю.Ільченка було виконано декілька загальнодержавних науково-технічних програм із проблем телекомунікацій.
М.Ю.Ільченко – активно працюючий учений і творець нових технічних систем. Зокрема, він є головним конструктором розробок інформаційних систем, які виконуються на замовлення Міністерства оборони України і впроваджуються в повсякденній діяльності цього поважного відомства. Його особиста участь також стосується створення нових конкурентоспроможних телекомунікаційних інформаційних систем на базі мікрохвильової техніки. Свідченням фундаментальності наукових результатів М.Ю.Ільченка є, зокрема, той факт, що створені ним раніше наукові засади побудови твердотільних діелектричних фільтрів дають можливість і нині використовувати ці пристрої для потреб промисловості. Так, діелектричні пристрої вже понад десять років впроваджуються в апаратуру мобільного радіозв'язку та використовуються для побудови приймачів визначення місцезнаходження об'єктів на Землі системи GPS, які серійно випускаються підприємством "Оризон-Навігація" на Черкащині.
Досягнення мікрохвильової техніки, в тому числі діелектроніки, ефективно реалізуються також у вітчизняних розробках інформаційних мікрохвильових систем інтегрального обслуговування типу МІТРІС, практичне впровадження яких дає змогу значно поліпшити телекомунікаційне забезпечення інформатизації держави. Такі розробки, виконані за участю М.Ю.Ільченка, успішно використовуються в Україні, Росії, Грузії та інших країнах. Створення перспективних радіотелекомунікаційних систем відзначено в 2000 р. Президією Національної академії наук України присудженням М.Ю.Ільченку Премії імені С.О.Лебедєва.
Розробки останніх років стосуються сучасних мікрохвильових інформаційних систем, які вирішують проблеми широкосмугового безпроводового доступу, в тому числі використання електромагнітних хвиль терагерцового діапазону і нанотехнологій у радіотелекомунікаційних системах. У публікаціях останнього часу іноді навіть порівнюють темпи впровадження безпроводових технологій з революційними змінами технічних засобів інформатики при реалізації комп'ютерних інформаційних мереж. Поєднання переваг, які дало оптимальне використання мікрохвильових технологій і засобів обчислювальної техніки, дало можливість колективу фахівців з Київської політехніки, Інституту кібернетики імені В.М.Глушкова НАН України, компанії "Укрсат" та підприємства "Оризон-Навігація" за наукової координації з боку М.Ю.Ільченка виконати цикл розробок, спрямованих на виконання завдань, передбачених трьома указами Президента України, чотирма постановами Кабінету Міністрів України. Вирішення цих завдань дало змогу створити і впровадити вітчизняні інформаційно-телекомунікаційні системи для інформатизації митної, податкової та прикордонної служб, банківської діяльності, поліпшення інформатизаційного забезпечення на автомобільних шляхах України, вдосконалення навігаційних систем, інформаційного забезпечення органів державної влади тощо. Впровадження результатів зазначеного циклу розробок відзначено в 2004 р. Державною премією України в галузі науки і техніки.
Ще одним важливим науковим напрямом, яким опікується М.Ю.Ільченко, є дослідження з історії науки і техніки. Становлення і розвиток Державного політехнічного музею відбулося за його безпосередньою участю. Разом зі своїми здобувачами учених ступенів кандидата і доктора наук і працівниками музею він організував дослідження з історії розвитку техніки як необхідної складової формування світогляду фахівців технічних спеціальностей. З ініціативи академіка Бориса Євгеновича Патона з 2001 р. започатковані Наукові читання з циклу "Видатні конструктори України", які систематично проводяться на базі музею під егідою його Вченої ради, яку очолює М.Ю.Ільченко. Вивчення діяльності понад 30 вітчизняних творців-першопрохідців у різних галузях науково-технічної творчості, життєвий та науковий шлях яких пов'язаний з Україною, сприяє збереженню історичної пам'яті про визначні здобутки науково-технічної та інженерно-конструкторської думки, формуванню цілісної історичної картини розвитку науки і техніки в країні.
Різноплановою є науково-організаційна діяльність М.Ю.Ільченка, який, зокрема, формує засади інноваційної діяльності в рамках Наукового парку "Київська політехніка", є головним редактором наукових журналів "Telecommunication Sciences", "Дослідження з історії техніки", співголовою від України Програмного комітету двадцяти щорічних Міжнародних конференцій з мікрохвильових і телекомунікаційних технологій "Криміко", праці яких понад 10 років представлені у світовій базі "Scopus". Заступник академіка-секретаря Відділення інформатики НАН України, голова ради проректорів із наукової роботи – ці виборні обов'язки, а також членство у багатьох науково-організаційних комісіях державного рівня сприяють використанню його досвіду у формуванні та реалізації політики організації науки в Україні.
Наукові публікації М.Ю.Ільченка становлять понад 500 праць, у тому числі монографії енциклопедичного характеру. Зокрема, монографія "Диэлектрические резонаторы", яку опубліковано в 1989 р. видавництвом "Радио и связь" (Москва) за участю і редакцією М.Ю.Ільченка, представлена в Бібліотеці Конгресу Сполучених Штатів Америки, а передмову до неї написав лауреат Ленінської і Нобелівської премій, двічі Герой Соціалістичної Праці, академік АН СРСР Олександр Михайлович Прохоров, який відзначив, що в монографії "изложение физических основ работы диэлектрических резонаторов гармонично сочетается со всесторонним рассмотрением инженерной теории устройств на их основе, а также вопросов, связанных с их разработкой и применением в современных радиорелейных станциях и системах связи нового поколения". В монографіях останніх років ґрунтовно висвітлено сучасні досягнення мікрохвильової техніки та радіотехнологій і їх використання при побудові перспективних інформаційних систем. Зокрема, двотомник "Микроволновые устройства телекоммуникационных систем" академік Микола Григорович Находкін охарактеризував як "достойного преемника ставших уже классикой прежних трудов по технике СВЧ".
Вагомий науковий доробок ученого став базисом для організації ним у Київській політехніці нових кафедри, наукового та навчального інститутів, забезпечення високоякісної підготовки фахівців у сфері телекомунікацій. Заслужений професор НТУУ "КПІ", почесний член ІЕЕЕ (США) М.Ю.Ільченко і його наукова школа (а це понад 20 докторів і кандидатів наук) визнані в Україні й інших державах. Тож, як справедливо зазначив у своєму відгуку віце-президент Російської академії наук, лауреат Нобелівської премії Жорес Іванович Алфьоров, "профессор М.Е.Ильченко своим выдающимся научным вкладом и организационной деятельностью способствует укреплению авторитета украинской научной школы".