现如今,微波和电磁波技术的发展使得各个国家都不能忽略对其的研究,而其中高功率微波技术更是各个国家研究的重点,这是由于高功率微波不论是在国防军事还是在高校以及研究所的科学研究中的作用都是巨大的且很难被替代。高功率微波源是负责产生高功率微波的装置,高功率微波传输系统则负责引导微波的传输,微波发射端则是通过天线等将微波能量馈入到空间中,它们以及其他的一些分散的组件共同组成了高功率微波系统。在整个微波系统中,高功率微波传输系统则是相当重要的组成部分,它负责将微波源产生的微波能量进行引导和变换,最终生成所需要的微波经发射端输出,衡量微波传输系统好坏的标准主要是传输的效率,这也是影响整个高功率微波系统性能的一环。在常见的微波器件中,各种模式变换器以及各种类型的模式过渡器都属于微波传输系统中的一部分,这些器件是否能高效率的工作就决定了整个传输系统的效率。模式变换器是本文设计和研究的主要对象,主要是通过采用一些全局优化算法以及新的设计方法,从而设计出高效率且结构小巧紧凑的模式变换器。并且通过分析耦合波理论,编写数值计算程序求解耦合波方程,最后对得到的结构曲线进行建模仿真。这种先用程序进行模拟,之后用三维电磁仿真软件CST仿真的设计方法能很大程度上节省设计时间。在求解耦合结构时,本文还利用优化算法对结构曲线的控制参数进行优化设计,可以得到更为合理的结构。本论文的主要研究内容:1、研究圆波导中的模式耦合原理,对耦合波方程和耦合系数的数学表达式进行推导,并研究数值求解中常用的理论和方法,作者根据理论不断尝试编写了基于MATLAB软件的数值计算程序用来求解耦合波方程和耦合系数。2、研究传统的TE01模式到TE11模式的变换器的设计方法,并给出一种正余弦结合的初始耦合结构,结合耦合波方程的求解程序以及耦合系数的计算程序设计一种高效率的从TE01模式变换到TE11模式的转换器,并让其工作频点为32GHz左右,且波导半径为14mm。然后研究优化设计算法,包括粒子群算法,遗传算法和模拟退火算法,编写MATLAB优化程序并采用优化算法程序对初始耦合结构的控制参数进行设计优化,最终得到数值计算的模式转换效率以及优化后的耦合结构曲线,之后对耦合结构曲线在CST中建立模型并仿真计算,得到转换效率的扫频曲线图,并可以得到绝对带宽以及相对带宽。最后对三种算法的优化结果进行对比,包括长度,数值计算的转换效率,仿真计算的转换效率和器件所能容纳的最大功率。3、研究共轴模式转换器的设计,采用两种方法设计,分别是迭代设计法和NURBS曲线法。对迭代法进行研究,确定设计过程中的梯度方向和迭代步长的取值,并编写求解程序,之后在迭代法的基础上添加结构控制函数,分别为端口平行函数和共轴函数,编写程序求解中心频率为32GHz,波导半径为14mm的共轴TE01-TE11模式转换器。并且采用迭代共轴法设计了中心频点94GHz,半径为7mm的模式变化器,并对其进行加工测试。NURBS曲线即非均匀有理B样条曲线,本文通过对NURBS曲线进行研究,理清了基本理论,以及控制点和节点矢量的选取,还给出了一种由离散点近似计算曲线曲率的方法,编写MATLAB程序设计了中心频点为10GHz,波导半径为25mm的共轴TE01-TE11模式转换器。并对上面两种方法设计出来的模式转换器的曲线结构导入到仿真软件CST中,建立出三维模型并进行仿真计算,验证程序设计的正确性。