微波和毫米波无源器件是微波和毫米波系统的重要组成部分。改进无源器件的各项电气指标,提高设计精度,缩短其设计周期,降低其体积和重量以及成本,是一大趋势,或追求的目标,因此,有必要研究快速准确的分析设计方法。本文利用全波分析法对波导结构中的一些不连续性进行了分析,并结合多种微波无源器件的优化设计理论,设计并优化了多种微波无源器件。设计了横向膜片带通滤波器,低通滤波器,纵向金属插片的带通滤波器,波导腔体滤波器,消失模滤波器,双工器或多工器、阻抗变换器、耦合器等多种微波无源器件。同时给出了自编程序的计算数据和商业软件仿真数据,以及实验数据的对比图。在设计这些微波无源器件时,也针对某些类型的器件,提出了通用化的设计方法,以及新的精确的优化设计方法。最后,对微波滤波器的物理尺寸误差进行了分析,对实际工程应用具有一定的参考价值。本文所取得研究成果可以分为以下三个主要方面:(1)采用全波分析方法对波导阶梯、横向金属膜片、纵向E面金属插片、波导T型结、弯波导和脊波导进行了分析,获得了各自的广义散射矩阵(GSM):A)应用模式匹配法(MMM),匹配波导不连续性处的横向电场和横向磁场,对矩形波导横向膜片、矩形波导ET和HT进行了详细分析,给出了通用结构的广义散射矩阵。B)用不连续性两边复功率守恒(CCPT)的匹配来代替横向磁场的匹配,采用该方法对任意金属条带结构的E面金属插片进行了场分析。C)利用横向谐振法获得脊波导的TM和TE模式的截止波数的超越方程,并使用二分法求解该方程,然后应用横向电场和横向磁场的匹配,分析了矩形波导到脊波导的不连续性。D)在矩形弯波导的分析中,由于整个圆弧段的电磁场展开式难以获得,因此首先将圆弧段的赫姆赫兹方程转化为本征值问题,然后结合模式匹配法,可以获得整个不连续性的广义散射矩阵。(2)基于传统倒置器模型可以设计窄带波导带通滤波器,但在宽带波导带通滤波器的设计,经常会出现带内回波损耗不够好,中心频率偏离等问题。应用分布阶梯阻抗倒置原型的带通滤波器可以做到更宽的带宽和良好的回波损耗。此外,利用成熟的交叉耦合滤波器的综合理论,得到了交叉耦合滤波器的M矩阵。结合较快的分析和优化方法,对各种微波无源器件进行了优化:A)采用改进的微种群遗传算法对理想阻抗变换器和矩形波导阻抗变换器进行优化设计。提出的优化设计方法,可以获得更好的优化初值,且可以更快地获得矩形波导阻抗变换器的物理尺寸。B)在横向金属膜片的带通滤波器的设计中,提出了一种通用化的设计方法。通过这种方法获得的窄带滤波器的物理尺寸不需要进行再优化。设计了几种横向金属插片滤波器,讨论了实际设计中滤波器指标与物理尺寸之间的关系。C)研究了纵向金属插片滤波器进行的优化设计,设计了窄带和宽带的此类带通滤波器。D)对具有较为规则结构的波导腔体滤波器进行了优化设计,设计了四腔波导腔的交叉耦合滤波器。使用这种结构,设计了一种六腔波导腔体双宽带滤波器。在设计这种交叉耦合滤波器时,通过交叉耦合滤波器的理论,得到交叉耦合滤波器的耦合矩阵。利用矩阵里的有效元素和全波分析方法,可得到不同耦合腔的初始尺寸,并可其进行优化。E)优化设计了脊波导消失模带通滤波器和双带通滤波器。F)对带有直角弯角的矩形波导带通滤波器进行了设计。G)提出了双工器和多工器的通用优化设计方法,对多种双工器和五路器进行了优化设计。(3)微波滤波器的优化值,往往和实际应用时加工出来的尺寸是有偏差的。对E面金属插片滤波器进行物理尺寸的误差分析。虽然此分析主要是数值上的,但通过不同情况的分析,可以对设计、加工、调试横向金属膜片和纵向金属插片滤波器时有很好的借鉴作用。此外,还对波导感性膜片的弯角进行了分析,通过分析可以得知,应用全波分析方法,来获得此类滤波器的理论上的物理优化值时,通常情况,不需要考虑膜片或波导弯角处的弯角尺寸。本文给出了大量无源器件的全波分析方法和HFSS的仿真比较,以及实测数据,结果表明,仿真数据与实测数据吻合很好。