高功率微波模式转换器是高功率雷达、定向能武器等高功率微波系统的重要部件，主要用于将各类高功率微波源的输出模式转化为适用于指定应用场景的微波模式，并保证必要的效能。模式转换效率和功率容量是高功率微波模式转换器的两个重要设计指标。通常的设计需要先得到多组高转换效率的结构参数、再通过比较最大电场值筛选出最优结构，设计效率欠佳。因此，有必要研究一种可根据指定的最大电场值直接设计模式转换器结构的高效设计技术。本文提出了一种基于分段式结构的“解析-迭代优化”高效率设计方法，并成功地用于圆波导轴线弯曲型TM01-TE11模式转换器设计。论文的主要工作包括:
　　1.针对轴线弯曲型TM01-TE11模式转换器，提出了基于“分段式”结构的高效率设计策略。通过分析圆波导中TM01和TE11两模式的功率配比、相位差及两模式混合叠加场的最大电场幅值之间的关系，给出了轴线弯曲型模式转换器中横截面上的最大电场沿弯曲波导轴线的变化规律，明确了轴线弯曲方向反向点处两模式的功率配比与最大电场的关键联系，提出了一种可对模式转换过程中的电场分布进行精细控制的分段式设计策略，即:以轴线弯曲方向的反向点为分段点对模式转换器进行分段，根据最大电场的设计目标值指定分段点边界条件，优化各分段结构以实现指定的功率转换比例，完成模式转换器设计。
　　2.研究了“分段式”设计过程中的一系列关键问题。在给出弯曲弧段中各模式幅值和功率随弧长变化的解析表达式的基础上，结合最大电场等值线图，给出了分段边界条件的设定方法。证明了以两模式间相差为π作为各分段限定边界的相位约束条件，可提高单位弧长的功率转换效率，缩短分段长度;根据最大电场等值线图上180°相位差时对应的电场值与两模式功率配比之间的关系，选择各分段限定边界的功率约束条件，可实现对各分段结构最大电场值的控制;进一步，通过分类讨论给出了根据最大电场等值线图的对称特性来确定模式转换器的最大电场取值范围及分段个数的一般性结论。最后，以X波段低过模圆波导模式转换器的分段设计为实例，验证了分段式设计方法的可行性。
　　3.提出了基于迭代法的分段式高过模圆波导模式转换器设计方法。通过采用相位自适应和引入相位归一化因子的方法，解决了常规迭代法由于分段边界条件中相位信息不匹配带来的迭代修正无法有效收敛的问题，给出了适用于分段式结构设计的轴线曲率函数迭代修正公式，实现了对高过模模式耦合过程的精细控制;同时提出了基于粗糙模型的弧长初值优化选择方法，并给出了在迭代优化过程中附加端口夹角的结构约束条件的方式，拓展了基于迭代法的分段式设计方法的适用性。将该方法用于X波段高功率容量、高过模圆波导模式转换器设计，所得模式转换器输入输出端口平行、在9.7GHz转换效率大于98％，端口驻波约为1.02，功率容量约为5GW，整个迭代优化过程耗时小于5分钟(Core [email protected])。
　　4.研究了过模圆波导模式转换器的参数测试方法。论文给出了测试方案及系统，设计了一种带有模式抑制槽结构的混合E-T波导圆波导TM01模式激励器以保证测试系统必要的激励模式纯度;利用矢量网络分析仪的时域加窗功能，设计了一种频域与时域相结合的参数测试方法，通过在时域上对测试系统中激励器与待测模式转换器的端口反射信号的分离和选通，解决了无法直接测得模式转换器端口特性参数的问题;利用该系统对所设计的X波段高过模模式转换器进行了测试，结果表明:在9.7GHz端口驻波约为1.1，转换效率约为96％，与仿真设计结果吻合较好。最后，基于高功率微波源平台设计了模式转换器功率容量的验证实验，为模式转换器与高功率微波源的集成应用提供数据依据。
　　综上，论文围绕高功率圆波导轴线弯曲型TM01-TE11模式转换器的高效设计，提出了分段式的设计策略及分段结构的迭代优化方法，实现了对高过模圆波导模式转换过程中的电场分布的精细控制，为高功率圆波导模式转换器的结构设计提供了一种全新、高效的设计技术。