未来聚变反应堆需要通过离轴的电流驱动维持和调控电流剖面的分布。一种高次谐波快波,也叫螺旋波(Helicon Wave),具有与低杂波相近的高驱动效率和无高密度限制的优势,成为未来聚变反应堆一种极具潜力的离轴电流驱动手段。中国聚变工程实验堆(CFETR)将螺旋波离轴电流驱动作为近期的一个重点研究课题。本论文将依托CFETR的工程和物理设计参数,针对螺旋波电流驱动和螺旋波天线设计开展了系统的研究。本论文首先系统地推导了冷等离子体条件下的色散关系,对波的基本特性,包括波的偏振、截止和共振等进行了深入的分析。基于这些基本的波动理论基础,结合目前EAST装置上开展的射频波加热和电流驱动实验,阐述了低杂波电流驱动在托卡马克中的高密度限制以及研究螺旋波电流驱动的必要性。论文重点分析了螺旋波的传播和吸收基本原理以及波的可近性条件。对螺旋波电流驱动数值计算的物理模型进行了介绍,包括射线的传播轨迹和驱动电流计算的基本原理和方法等。利用数值模拟程序,结合CFETR运行参数和平衡文件,进行了相应的螺旋波电流驱动的数值模拟研究,计算了射频波的频率、平行折射率、射线的极向发射位置和等离子体参数(电子温度和电子密度)对驱动的电流分布和驱动效率的影响。模拟计算的主要结果如下:1)从赤道面出发的射线,波源频率大于1GHz可以实现有效的离轴电流驱动;2)射线从极向位置45°(极向位置(角)定义,以低场侧中平面为0°角,高场侧一端的中平面为180°角,逆时针旋转360°为一圈),或者高场侧一端的中平面附近发出驱动效率较高;3),天线平行折射率在2-3.4范围内,对驱动电流的剖面及驱动效率影响很小;4)随着中心电子密度的增加,驱动的电流峰值减小,驱动电流剖面位置基本不变,但驱动效率有所下降;5)随着中心电子温度的升高,驱动的电流峰值增加,但电流剖面变窄,且向等离子体外侧偏移。螺旋波天线设计也是本文的重点研究内容之一。基于行波天线的基本理论,利用三维电磁仿真软件--CST建立了 CFETR螺旋波行波天线的物理模型,开展了天线辐射特性、表面电流及电磁场分布等天线基本特性分析,优化了其结构参数,包括天线电流条带的长度、宽度、条带之间的间隔以及条带数等。为了更好地评估天线的耦合性能,利用comsol电磁仿真软件,建立了加载在天线端口的冷等离子体物理模型,利用有限元、全波解计算麦克斯韦方程,计算天线-等离子体低场侧极向电场图并给出耦合性能分析。相关的结果为CFETR天线工程设计提供了理论基础和依据。