近年来,随着毫米波和太赫兹技术的发展,越来越多的应用需要大功率毫米波-太赫兹辐射源,传统的微波慢波器件采用基模工作,在毫米波和太赫兹频段,高频结构尺寸小、功率密度低、加工困难、成本高,难以大规模应用。因此,高阶模式工作的微波器件越来越多的获得科研工作者的重视,回旋管、光子晶体速调管、高阶模式返波管被提出并被广泛研究。但高阶波导模式无法在自由空间传输,并且难以直接应用,因此需要将其进行模式变换,转成基模或者高斯光束传输。人工超材料是近年新兴的一种电磁材料,是指利用人工工程的方法构建出的一种人工复合结构,性质由几何结构而非材料化学组分决定,这种结构具有一般天然材料所不具备的超常特性,具有天然材料不具备的电磁特性。电磁波在人工超材料中传播时,会展现出不同于在普通材料中传播的特性,因此有望实现高阶波导模式到高斯光束的转换。本文基于人工超材料的设计原理,根据波导模式和高斯光束电磁特性的差异,对基于人工超材料的电磁模式变换结构开展了探索研究。设计了一种基于“+”型单元结构的35GHz圆波导TE₀₁模式到高斯光束和一种圆波导TE₂₁模式到高斯光束的模式变换器。利用仿真软件对于单元结构进行仿真,根据相移曲线是否平缓、相移改变量是否足够大的特点,确定合适的单元层数及层间距。根据频率大小确定总尺寸,根据实际加工情况确定金属厚度、材质以及介质基板的厚度、材质。电磁仿真结果表明,透射场的高斯纯度均达到较好效果。对TE₀₁模式变换器进行了加工和测试。利用功率探头配合位移台对加工完成的TE₀₁模式变换器透射电场进行面扫描测试。在35GHz至38GHz实验测试结果与仿真结果一致,进一步证明本文所述模式变换器设计有效、可行。