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回旋行波管具有宽频带、高功率、高增益、高效率等优点,在通信、雷达、电子战方面应用前景广泛,备受国内外学者的关注。但是,回旋行波管的工作模式通常为TE0n模式,不适合远距离传输和直接应用,必须将其转换成单一线极化的HE11模式或者高斯波束。在宽频带下,实现这一转换是推进毫米波回旋放大器应用的重要技术前提。本论文针对基于反射式金属光栅结构的宽带大功率模式变换器开展了深入的理论和实验研究。主要工作内容如下:1.开展了平面周期结构的模匹配理论研究,推导出反射式金属光栅的端面模匹配方程,编制了相应的光栅特性参数分析程序。并利用电磁仿真软件,对编制的数值分析程序进行仿真验证。2.利用编制的数值计算程序,对反射式矩形光栅的色散特性开展研究。推导出TE01模极化扭转光栅曲线分布方程,完成W波段圆波导TE01模极化扭转光栅设计。仿真计算结果表明85GHz到105GHz频带范围内,经极化扭转光栅后,波束线极化纯度高于97%。3.开展相位修正技术研究,详细推导了相位修正反射镜的Katsenelenbaum Semenov算法(KSA),设计了相应的相位修正镜面,并对W波段宽带TE01-HE11模式变换器进行了整体仿真。计算结果表明:在85GHz-105GHz内(相对带宽范围为21.2%),输出HE11模标量模式纯度均大于95%,矢量模式纯度大于92%。其中在98GHz模式纯度最高,最高标量纯度为97.9%,最高矢量纯度97.28%。4.配合实验研究的需求,研制了W波段宽带TE01模激励器。搭建了相应的测试平台,完成了宽带模式变换器的实验研究。实验结果表明:在85GHz-105GHz的范围内(相对带宽范围为21.2%),宽带模式变换器输出波束HE11模标量纯度均大于95%,其中在98GHz时,输出波束的HE11模式标量纯度达到97.67%。在90GHz-100GHz的范围内(相对带宽为10.6%),总转换效率高于86%。