毫米波源相对于低频微波源而言,具有分辨率高、宽频带、能量集中等优势,在军事上以及民用上都有很大的发展潜力。而在毫米波频段,回旋行波管是重要的微波信号放大器,它采用快波横向换能的工作方式,相比于传统的电真空器件,不仅具有高功率和高频率的优点,并且在工作带宽方面有着很大的竞争优势,被广泛应用于高分辨雷达、通信、电子对抗、超级干扰机、定向能武器、受控核聚变以及微波加热等多个国防、科学研究和工农业生产领域。回旋行波管的高频系统一般包括输入耦合器、输出窗和高频互作用结构,对器件有着关键影响,必须在工程应用前,对它们进行冷测实验以确保其性能的可靠。对回旋行波管高频系统的冷测主要是对输入耦合器和输出窗的传输反射性能的测试,尤其是对高频结构中各模式的传输和衰减的测量,进而研究高频结构的色散关系。回旋行波管一般用TE01模作为工作模式。TE11、TE21以及TE02等竞争模式的存在是不稳定性问题的根源。为了解决不稳定性问题,回旋行波管一般采用介质加载高频结构。介质材料的选取对高频结构的性能有着很大影响,必须对其电磁参数进行准确测量。现有的微波测量系统一般以矢量网络分析仪为基础,而矢量网络分析仪一般只能将同轴信号通过波导同轴转换接头转换为标准矩形波导的TE10模,所以为了满足对回旋行波管高频系统的冷测实验需求,需要设计TE10到TE11、TE21以及TE02的模式变换器。本论文主要研究内容分为以下几个方面:1.介绍了高功率微波的发展及应用。重点介绍了回旋行波管的发展,说明了其结构和工作原理,阐述了不稳定性问题及介质加载高频结构的重要应用,介绍了冷测实验波导模式变换器的研究现状。2.介绍了介质材料电磁参数测量方法,重点介绍了传输反射法的原理。进行了陶瓷材料测量实验,并基于MATLAB编制了GUI界面,方便了对实验数据的处理。3.设计和仿真了TE10到TE01、TE11、TE21的模式变换器,并对其进行了实验验证,以满足冷测实验的需求。4.设计和仿真了输入耦合器和输出窗,并进行了冷测验证实验。