模式匹配法(MMM)是建立在广义传输线理论之上、基于场理论的全波分析方法。目前,模式匹配法已经发展到了严格的场解析阶段,具有计算速度快、求解精度高和消耗计算机内存小的优点,成功应用于滤波器、耦合器、阻抗转换器、模式转换器、天线、多工器、功率分配器、反馈网络、移相器、偏光器、补偿弯波导、本征值问题以及手征介质的特性分析中。微波窗作为输入输出系统的重要组成部分,也是高功率微波系统的一个重要无源器件,它除了真空密封作用外,还具有馈送能量、透射微波、降低反射等作用,其质量好坏直接影响微波器件的电参数及其寿命。本文对模式匹配法及其在微波窗的应用进行了深入研究。对模式匹配法进行了详细的理论分析和解析推导,重点对S参数计算、相对收敛性、复功率守恒与电磁场匹配进行了理论分析与数值验证。应用模式匹配法对微波管中常见的四类窗结构(膜片加载矩形波导窗、多层介质圆波导窗、同轴窗和高功率盒型窗)进行了仿真设计,在高精度的前提下大大缩短了窗的设计周期。本论文的主要工作内容和创新点如下:1、系统深入地研究了模式匹配法,利用电磁场边界条件,建立了5种突变结(矩形-矩形、圆-圆、同轴-同轴、大矩-小圆、大圆-小矩)的广义散射矩阵。利用格林公式、离散傅里叶变换、坐标系转换以及归一化正交性等原理,推导出了这5类突变结上的模式之间的耦合矩阵解析解。2、利用矩阵级联理论以及传输线理论,推导出规则无源器件模型的广义散射矩阵的解析计算公式。基于MATLAB语言编写了模式匹配法程序包MMMS,并对模式匹配法的相对收敛性进行了研究。3、在模式匹配法的框架下,推导了各个模式在无源器件内传输的功率幅度系数,得到了无源器件在频带内任意截面的复功率,以及整个三维空间任意频点的电磁场分布。验证了电磁波传播过程中的复功率守恒与电磁场匹配。4、应用模式匹配法对4类常见微波窗进行了仿真设计,计算结果与三维电磁场数值模拟软件HFSS、CST、MTSS得到的模拟结果非常吻合,验证了模式匹配法相关理论推导与程序代码的正确性与可靠性。