回旋管作为一种十分重要的高功率微波源,在航天、军事、医学、通信等领域扮演着不可替代的角色,是国内外研究的热点之一。回旋管结构复杂、装配精密、价格昂贵,在使用之前要对其关键部件准光模式变换器进行低功率检测,也就是所谓的冷测,以防止在高功率状态下出现意外事件。对此需要设计一款相对应的高阶旋转模式变换器模拟回旋管的输出,且其纯度对测试结果的正确性有着很大的影响。所以对于回旋管行业的发展而言,高纯度高阶旋转模式变换器的研究显得十分重要。本文利用耦合波理论、螺旋波导理论、半径渐变耦合理论、模式抑制技术、同轴腔选模特性等理论知识和技术,分析并设计了两款高阶旋转模式变换器,其一是螺旋波导TE₆₂模式变换器,其二是同轴-螺旋波导TE₆₂模式变换器。本文主要工作和研究成果如下:1.分析了本研究的背景及意义,对于国内外毫米波技术、回旋管及冷测、高阶模式变换器的发展及现状做了系统的阐述。2.首先,分析了耦合波基本理论中的离散耦合及其耦合波差分方程组,接着利用离散耦合与连续耦合的关系得到了模式连续耦合的耦合波微分方程组,并给出了详细的推导过程。紧接着介绍了螺旋波导传输条件和边界条件,给出了相应的耦合波微分方程组及各模式间的耦合系数。最后介绍了半径渐变耦合波理论,同样也给出了相应的耦合波方程组和耦合系数,以及利用相位匹配技术得到的轮廓函数。3.基于耦合波理论和螺旋波导理论,本文设计了一款高纯度高效率的TE₁₁模式激励器,并用CST对腔体进行了建模优化,仿真结果表明:在中心频率30.5GHz处,模式输出纯度达到99.9%,转化效率也能达到99.85%,转化率和输出纯度高于95%的带宽为4.4%;在此带宽内TE₁₁模均实现了良好的圆极化特性,两个交叉极化TE₁₁模的线性幅度差不高于0.02,相位差不高于90±2°,其轴比值约为1d B。本设计具有纯度高、效率高、输出为圆极化的优点,为设计高阶旋转模式变换器奠定了基础。因此,本文在此基础上设计了一款高阶旋转TE₆₂模式变换器,同样地,在中心频率94GHz附近,TE₆₂模式纯度高达92.52%,转化效率为80%,两个互为交叉极化的TE₆₂模的线性幅度差约为0.1,相位差约为90°,其轴比值约为1.3d B。与其他类似的研究结果相比,本研究实现了圆极化高阶模的直接输出,不涉及过渡模式的产生,实现了结构紧凑的功能。本文使用的是一种角向径向同时变化的结构,即螺旋波导,本文介绍了这种结构的功能和原理,分析了模式变化的过程,其中着重介绍了微扰幅度、微扰周期对模式变换的影响。此外,本文还研究了一款模式抑制器应用在模式激励器中,用于提升输出模式纯度,并分析了其尺寸、位置对输出结果的影响。本设计具有高纯度、紧凑、圆极化输出的特性。4.本文最重要的突破在于实现了螺旋波导和同轴腔的结合,通过改变同轴腔外壁轮廓,实现了圆极化模的直接输出。该模式变换器采用矩形波导主模TE₁₀侧壁馈入,利用同轴腔选模特性选出同轴TE₆₁模,同时改变同轴腔外壁的轮廓,使之变成螺旋形状的结构,使用仿真软件CST确定其最佳缓变参数,紧接着是同轴波导TE₆₁模到圆波导TE₆₁模的过渡,实现了圆波导旋转TE₆₁模的输出,最后利用半径渐变耦合波理论实现了圆波导旋转TE₆₂模的输出。本文详细介绍了同轴波导输出TE₆₁模的原理,分析了同轴外内半径比对谐振频率的影响,仿真结果表明:该模式变换器的TE₆₂模式纯度为91.31%。本设计也具有高纯度、紧凑输出为圆极化的特性。