Pf²因子是衡量高功率微波作用效能的一个重要参数,可以预见,随着高功率微波技术的快速发展,其有着朝更高峰值功率、更高频率方向发展的趋势。由于高功率微波源工艺结构及其产生微波物理机制的固有限制,各种高功率微波源都有其功率上限。为进一步提高系统总体微波输出功率,研究人员正在努力探寻高功率微波功率合成技术,空间功率合成技术作为其中重要技术方案之一,是提高等效辐射功率的有效途径。而用于空间功率合成的单源辐射系统是实现高功率微波空间功率合成必须攻克的关键技术之一,其中高功率容量器件及相关技术是其关键组成部分。特别是在高频段,一般为了降低高阶杂模的影响,器件结构尺寸较小,这就导致器件的功率容量较低,不足以满足微波源输出微波的峰值功率要求,而大尺寸器件还需要考虑高阶杂模的影响;另外,高功率微波空间功率合成还需要具有高功率容量的波束扫描天线。所以论文主要针对高频段高功率微波空间功率合成关键器件及其关键技术进行研究,关键器件具体包括工作在高频段的高功率容量模式转换器、高功率容量移相器及两维波束扫描透镜天线;而关键技术主要包括实现高频段高功率容量模式转换器、移相器的技术方法、过模圆波导系统中混合模式关系测量方法、两维波束扫描透镜天线的设计方法。论文针对以上内容开展了理论分析、数值仿真和测试研究,具体包括以下几个部分:1.过模TEM-圆极化TE₁₁模式转换器提出了一种在高频段工作的具有高功率容量的过模紧凑化TEM-圆极化TE₁₁模式转换器,这种模式转换器主要由一个输入同轴圆波导、一个输出同轴圆波导及n个角向分布的不等长折叠矩形波导臂构成。通过理论分析,得到n臂模式转换器（n=3,4,……）可以将TEM模式同时转换为圆极化TE₁₁和圆极化TE_（n-1）1模式,所以为了获得纯净的圆极化TE₁₁模式,需要将模式转换器的波导尺寸进行设计,以抑制掉TE_（n-1）1模式传输的结论。这一方法可以使模式转换器工作在高过模结构状态,从而提高了模式转换器在高频段的功率容量。根据上述结论,在频率9.375GHz处对一个20个臂模式转换器进行设计建模,其输入、输出端分别对TE_（10）1及TE₅₁模式不截止。通过仿真发现,其可以将TEM模式高效率地转换为圆极化TE₁₁模式,并且根据其最大场强估计功率容量在2 GW以上。为了验证理论分析与仿真结果的正确性,对仿真模型进行了加工并进行了低功率和高功率测试,低功率测试主要包含:反射测试、辐射方向图测试及轴比测试。其反射测试结果显示模式转换器的反射在中心频点处小于-24 dB,在9.225-9.500 GHz范围内均小于-20 dB,说明此模式转换器的反射较小;其冷测辐射方向图与仿真得到的方向图匹配较好,且在9.225-9.525 GHz范围内轴比在1.05-1.15之间,说明模式转换器输出了较好的圆极化TE₁₁模式微波。高功率测试主要通过将模式转换器安装在实验室已有微波源上进行测试,通过线极化天线接收垂直极化微波和水平极化微波,两者测试结果基本相同,表明模式转换器可以实现功率1 GW、脉宽80 ns以上的微波模式转换。另外,按照这种方法设计的模式转换器在更高频段依旧可以保证较高的功率容量,不会成为高功率微波输出的功率瓶颈。2.过模TEM移相器设计的过模TEM移相器由两个完全相同的过模TEM-圆极化TE₁₁模式转换器构成,保持一个模式转换器不动,角向旋转另一个模式转换器,即可实现高功率TEM模式微波相位的调节,并且相位调节度数与旋转度数相等,机械控制简单。文中对这种移相器的工作原理进行了分析,作为验证,利用CST软件在中心频点9.375 GHz处建模仿真,由结果可以看到移相器可以在0°到360°范围内精确移相,移相度数与扭转角度相等,在移相过程中TEM模式微波传输效率均在99%以上,功率容量超过2 GW,满足高频段高功率容量需求;对移相器的工作带宽特性进行了监测,在9.1-9.6 GHz频率范围内,移相器的S₂₁幅值均大于98%,且可以实现TEM模式微波在0°到360°范围内的精确相位调节。另外,针对加工过程中最易出现的角向臂长度加工误差对于移相器工作性能的影响进行了分析,设相邻角向臂长度差在理论差的基础上有-0.05￡（35）￡0.05 mm的误差,结果表明移相器在此加工误差范围内的S₂₁幅值均大于98.8%,且移相器仍然可以实现TEM模式微波在0°到360°范围内的精确相位调节,说明此范围内的误差对于移相器的工作性能影响不大。另外,按照这种方法设计的移相器在更高频段依旧可以保证较高的功率容量,不会成为高功率微波输出的功率瓶颈。3.电探针测量混合模式现阶段高功率微波领域应用最多的波导为空心圆波导和同轴圆波导,而圆波导系统内混合模式关系的精确测量问题一直难以解决。虽然有关于矩形波导内部模式测量的文献报道,但是由于圆波导系统内非旋转对称模式存在极化方向任意问题,相对于矩形波导极化方向垂直于矩形波导四壁,圆波导系统内模式分析起来会更加复杂。论文利用电探针对圆波导系统内部电场进行多点测量,将测量数据代入到包含模式组成和电探针位置相关的方程组中,对圆波导系统内的混合模式成分、相位关系等进行研究。通过在圆波导系统中设置不规则结构和吸波材料,利用CST仿真提取参数推导输入、输出波导模式关系,并与CST直接计算得到的模式关系进行对比,两者结果匹配较好,说明通过电探针测量模式关系理论分析正确。针对第二章中模式转换器的输入端和输出端中的混合模式,加工电探针波导进行测量,根据测量数据得到模式转换器输出模式成分为纯净的圆极化TE₁₁模式成分,插入损耗为0.6 dB,反射模式成分占比很小,基本可以忽略。最后,结合电探针测量混合模式方法及高功率微波的特点,对高功率混合模式的测量进行了设计。4.高功率微波波束扫描透镜天线通过角向旋转两块上下层叠等效折射率渐变透镜,实现微波波束的两维空间扫描。根据这一方案,设计了一种全金属传输阵列波束扫描透镜天线。这种天线由一系列全金属传输单元构成,文中通过传输线网络理论与仿真相结合的方式设计了透镜单元;仿真结果表明,通过扭转单元上的微结构,在实现微波高效率传输的同时,可以实现单元辐射微波0°到360°的相位调整,且透镜单元功率容量在3.1 MW左右,估计当面积1 m×1 m的金属透镜被场强均匀的平面波辐照时,其功率容量接近5.6 GW;并对121个单元组成的透镜进行建模仿真,实现了波束在俯仰面偏转角度-30°到30°、方位面偏转角度0°到360°的两维空间扫描;作为验证,对一种可以实现波束在俯仰面偏转角度-20°到20°、方位面偏转角度0°到360°全金属传输阵列波束扫描透镜天线进行了加工和测试。结果表明:全金属传输阵列波束扫描透镜天线在几种波束偏转状态下的反射在9.275-9.475 GHz范围内均小于-15 dB,且在工作频点9.375 GHz处均小于-20 dB;另外,几种状态下的波束扫描角度均与理论、仿真结果匹配良好,说明这种波束扫描透镜天线具有实际应用的可行性。