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随着科学家们对微波技术更加系统的研究以及高功率微波相关科学技术的进一步发展,如今高功率微波技术在国防军事和社会科学等各方面都起着举足轻重的作用。高功率微波传输系统很大程度上影响了整个高功率微波系统的性能,其中模式变换器是微波传输系统中一种重要的微波传输器件。转换效率是模式变换器能否高效工作的关键因素,而尺寸结构决定了模式变换器的实用性。本文的主要工作是研究如何设计出高效率、结构紧凑的模式转换器。使用商业电磁仿真软件可以较为准确的计算模式变换器中的模式耦合问题,可是直接使用仿真软件设计模式变换器对计算机的计算性能要求较高,计算时间往往很长。而在设计模式转换器时,常常需要反复优化模式变换器的结构才能设计出性能好的模式变换器,因此编写数值计算程序和优化设计程序就十分必要。作者针对不同结构的模式变换器和不同的设计方法编写了 MATLAB设计程序,设计多种实用的模式变换器并仿真验证。本论文的研究内容:1、结合圆波导中的模式耦合原理研究了模式变换器的数值求解和优化设计方法,包括使用龙格库塔法求解模式变换器的耦合波方程以得到模式转换效率和使用模拟退火算法以及迭代法优化模式变换器的结构参数。2、对迭代设计法进行了深入的研究,并结合轴向弯曲波导的耦合波方程、模式之间的耦合系数和微分方程的数值求解方法,编写了使用迭代法设计轴线弯曲光滑圆波导模式变换器的MATLAB数值计算程序。使用迭代设计法设计了一种工作频率为32GHz、波导半径为16mm的TE01直角弯头模式过渡器,并使用CST进行仿真验证,然后加工实测。此外作者还对模拟退火算法进行了研究并编写了使用模拟退火算法优化的轴线弯曲光滑圆波导模式变换器的MATLAB数值优化设计计算程序。分别使用基于模拟退火算法优化的模式变换器设计程序、迭代法模式变换器设计程序以及两种方法相结合的综合设计法对工作频率为32GHz、波导半径为14mm的TE01-TE11模式变换器进行设计。使用CST仿真软件仿真验证了三种设计方法设计的TE01-TE11模式变换器。3、结合轴向线性光滑圆波导的耦合波方程、模式之间的耦合系数和微分方程的数值求解方法,编写了轴线线性光滑圆波导模式变换器的MATLAB数值计算程序和使用迭代法设计轴线线性光滑圆波导模式变换器的MATLAB数值计算程序。基于数值计算程序,首先使用不同的半径变化函数的波导结构对工作频率为32GHz、波导半径16mm-14mm的TE01半径渐变型模式过渡器进行设计,并使用CST进行仿真验证;然后使用迭代法对TE01半径渐变型模式过渡器进行设计,并使用CST进行仿真验证。此外作者同样使用传统设计法和综合设计法,结合轴线线性光滑圆波导模式变换器的MATLAB数值计算程序,对工作频率为28GHz、端口半径为20mm的TE02-TE01模式变换器进行设计,并使用CST进行仿真验证。