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随着高功率微波技术的迅速发展,高功率微波尤其是高功率毫米波在国防和工业等方面的应用越加广泛。由高功率毫米波源输出的模式为高阶模式(H0p, p>>1)或者边廊模式(Hmp> m>>, p=1,2),这些模式并不适合天线直接辐射,因为其轴向辐射呈空心圆锥状,能量发散,通常都要使这些模式通过一段模式变换与传输系统后再进行辐射。而模式变换与传输系统能否稳定、高效的工作,直接决定着整个高功率微波系统是否可以发挥最大效用,因此设计能够稳定、高效工作的模式变换与传输系统具有非常重要的实际应用意义。本文对工作频率在Ka波段内的回旋管外接圆波导模式变换器及过渡器作了详细的研究工作。主要工作如下：1.研究了两种不均匀波导的模式耦合情况,分别为轴线弯曲和半径渐变。以模式耦合理论为基准,对麦克斯韦方程进行推导得到耦合方程,并给出耦合系数。2.分析了模式全转换特性,给出轴线呈蛇形线弯曲结构的Ho1-H11模式变换器,结合现有的“模式传输与转换模拟”软件,对该结构的变换器各参量进行模拟计算。同时利用HFSS进行仿真优化,在工作频率为30.4GHz时转换效率约98.1%,传输效率99.5%,约1.26GHz带宽范围内转换效率不低于90%。针对器件加工过程产生的误差进行了分析,计算表明器件半径变化范围1mm时,H11模式相对功率变化幅度不超过0.65%,表明该结构的变换器具有高效、宽带、稳定的特性。3.分析了轮廓线呈正弦结构的波导的模式耦合情况,得到了过渡器的工作机理,同时研究了几种不同结构的过渡器,分别为线性结构、一阶正弦结构和高阶正弦结构。利用HFSS对这几种过渡器的几何长度参数进行仿真优化,得到三种结构在各自的带宽范围内传输效率均不低于99%,其中线性结构的带宽最大约2.03GHz,高阶正弦结构的带宽最小约1.40GHz但同时也具有最好的紧凑性。4.结合复功率守恒技术,推导出突变结构的散射矩阵,给出H11-HE11模式变换器的设计方法,利用HFSS对该变换器的几何长度参量进行仿真优化,得到变换器几何长度为290mm时,在工作频率30.4GHz下H11模式相对功率约为84.4%,E11模式相对功率约为15.3%,约0.81GHz带宽范围内HE11模式的相对功率均不低于0.98。同时还对器件的加工误差和功率容量进行计算,当器件半径的微小改变量为2mm时,在带宽范围内HE11模式相对功率变化约为2%,估算半径20mm时的功率容量约为340MW,表明变换器具有较好的工作稳定性和足够大的功率容量阈值。