由于高功率微波源特殊的工作机理,其输出模式的场分布通常呈现旋转轴对称结构,如圆波导TM01、同轴TEM模式。直接辐射时波束分散,不能形成视轴方向上的最大定向功率传输,大大降低了与目标作用的效果。模式变换器能够完成轴对称模式向适合辐射的TE11或高斯模式的转换,配合天线可实现高定向辐射,是解决上述技术问题的核心器件,长期以来一直是国内外学者研究的热点问题。随着HPM系统应用要求的不断发展,单个HPM器件受限于物理机制以及加工工艺的限制,不能满足更高功率、更高辐射能量、多频复合拍波工作的复杂需求。在此背景下各种多频段功率合成技术相继诞生。与之相应,针对多频段模式变换器的需求也日益迫切。本文采用理论分析、数值计算和仿真验证相结合的方法分别对圆波导和同轴波导的模式耦合问题进行了深入的理论研究,总结了不同波导结构对模式耦合过程的影响规律,并提出了一种可同时工作在X、Ku、Ka三个频段的同轴内嵌圆波导结构高功率模式变换器。本论文的主要工作内容包括以下几个方面:1、基于耦合波理论研究了过模圆波导中的模式耦合问题,建立了相应数学模型;并对圆波导中的耦合波方程组进行了推导,给出了圆波导中各个模式耦合系数的显式表达式;对单频段圆波导TM01-TE11模式变换器进行了分析和设计,探讨了多频段圆波导模式变换器的可行性。2、提出一种同轴内嵌圆波导结构,并尝试在该结构下进行双频段模式变换器的设计。对同轴波导内的模式耦合问题进行了研究,编写了同轴波导数值优化计算程序,并设计了高转换效率的单频段TEM-TE11同轴波导模式变换器,在端口内外半径比为2时,最高转换效率可达到99.63%。对数值求解程序进一步改进,使用双频点迭代方法设计了可工作在X、Ka两个频段的同轴内嵌圆波导模式变换器,两个频段中心频点处的转换效率都高于98%。3、对双频同轴内嵌圆波导模式变换器进一步改进,采用该结构对可工作在X、Ku、Ka三个频段的模式变换器进行了设计。分析了影响模式之间耦合能力的因素,并通过数值计算程序得到优化曲线,在电磁仿真软件中建立实际模型,外同轴波导实现双频段的TEM-TE11模式变换,内圆波导实现单频段的TM01-TE11模式变换,三个频段中心频点处转换效率都高于97.88%。