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高功率毫米波系统主要由高功率毫米波源、毫米波传输链系统和毫米波发射和接收系统组成。高功率毫米波源是毫米波系统的关键子系统,决定毫米波系统的性能好坏,回旋管是优质毫米波源的代表;毫米波传输链系统主要包括模式的变换和波模转换,将毫米波源产生的毫米波转换为与发射系统匹配的波模;毫米波发射和接收系统的主要器件是天线,对外发射和接收毫米波能量。模式变换器作为毫米波传输链系统的一部分,提高其性能对于高功率毫米波系统的改善起着无可比拟的意义。模式变换使毫米波源发射的能量高效的转换和传输,对于高功率毫米波有效的利用具有重要作用,因此,模式变换器的研究具有重要的研究意义和工程应用意义。本论文在回旋管预研项目的资助下,对TE01--TM11--HE11模式变换链进行了深入的理论研究和仿真模拟,设计加工了一种新型的90°弯曲圆波导TE01--TM11模式变换器,数值计算结果与仿真结果一致并成功应用于科研实验中。本论文的主要工作如下:1.综述了高功率毫米波的特点和各方面应用、毫米波系统和回旋管的发展历史、模式变换器的研究现状及发展趋势。2.深入研究耦合波的基本原理,由麦克斯韦方程组结合正交函数的展开理论,推导出了轴线弯曲圆波导模式变换器的耦合波方程组以及方程当中相对应的耦合系数的表达式。对于耦合波方程组的求解问题进行详细的分析,介绍了适合求解的数值计算方法以及参数的优化算法。3.结合工程应用需求,根据轴线弯曲耦合波方程组和耦合波方程组的求解方法编写了优化程序,优化设计出了一种紧凑、高效的90°弯曲圆波导TE01--TM11模式变换器。模式变换器一方面直接实现了波导传播方向90度的转变,另一方面TE01模式直接转变为TM11模式输出。对模式变换器进行三维仿真,仿真结果与数值计算结果一致,并且进行了实物的加工。仿真结果与数值计算结果表明设计的90°弯曲圆波导TE01--TM11模式变换器满足实际工程的需求。4.深入的研究了复功率守恒法,导出了用来研究突变波导结构的方法——广义散射矩阵。对于TM11--HE11模式变换器利用三维电磁仿真软件CST对其进行模拟仿真,得出了紧凑、高效的TM11--HE11圆波导模式变换器的各个参量的优化值。