高功率毫米波系统主要由高功率毫米波源、模式变换和传输、发射子系统组成,在等离子体回旋共振加热、高分辨率雷达、定向能武器、材料处理等领域都有着非常广泛的应用,属于国际上一个研究热点。在高功率毫米波系统中,毫米波源决定着系统性能的优劣,而其它组分,例如模式变换和传输子系统则制约着毫米波源性能的有效发挥,因此研究高功率、高效率毫米波段模式变换器和过渡器(传输作用)的关键技术对充分发挥毫米波源的性能具有重要的意义。本文主要对高功率、高频率毫米波段模式变换器和过渡器的关键技术(变换或者传输效率、带宽和紧凑性)进行了理论和实验研究。此外,本文也对W波段回旋管进行了一些理论和实验研究。本文的研究成果和所反映的工作如下:1.运用耦合波理论研究了两种渐变轮廓的模式变换器。一种为轴对称圆波导,其内壁半径作周期微扰波动;另一种为内壁半径不变的圆波导,其轴线在同一平面内作周期扰动。它们分别可以实现圆波导电磁模式径向和角向指标的改变。采用单纯形优化算法编制了分析和优化这两种模式变换器的数值计算程序。利用所编制的计算程序分析、设计了TE03-TE02、TE02-TE01及TE01-TE11模式变换器。冷、热测实验结果与计算结果具有很好的一致性。为了改善TE01-TE11模式变换器带宽,提出了变态结构的TE01-TE11模式变换器。计算表明,变态结构的模式变换器在变换效率、带宽以及紧凑性方面都具有明显的优势。2.编制了分析壁突变波导电磁特性的数值计算程序。作为一个例子,我们用该程序设计了一TE11-HE11模式变换器。同时,为了估算它对TE11和TM11模式的功率容量,我们还做了相应的功率容量计算。实验与计算结果具有良好的一致性。3.根据轴对称正弦波纹轮廓模式变换器原理,推论出了正弦轮廓过渡器的工作机理,根据该机理提出了几个正弦波纹轮廓圆波导模式变换器。编写了分析它们的数值计算程序,对它们进行了优化分析。利用优化的结构参数研制了这些过渡器并进行了实验研究,结果表明,与计算结果具有良好的一致性。4.提出了两种轮廓的圆波导TE01模式过渡器,实现了TE02模式临近截止和TE01模式临近截止两种情形下对TE01模式的高效传输。编写了数值计算和优化程序,对其进行优化分析。计算表明与已有的圆波导渐变过渡器相比,这些过渡器具有传输效率高、结构紧凑的特点。实验与计算结果一致性良好。5.运用矢量绕射理论、准光理论编写了分析付拉索夫模式变换器程序,计算表明TE01模式作准光模式变换器馈源更有利于实现向高斯波束转换。6.运用注-波互作用自洽非线性理论编制了分析渐变复合腔电磁特性的计算程序,采用该程序获得了工作模式对为TE02-TE03的3mm波段复合腔二次谐波回旋管腔体的几何和电磁优化参数。粒子模拟软件仿真结果与计算结果具有良好的一致性。实验表明采用该复合腔的回旋管运行频率约为94GHz,峰值功率约为156kW,效率高于27%,与计算和仿真结果基本一致。根据回旋管注-波互作用理论和模式匹配法编写了数值优化计算程序,得到了94GHz单腔基波回旋管腔体几何和电磁参数,粒子模拟功率达到127kW、效率超过47%,输出模式为TE03。