喇叭天线由于具有功率容量大、传输损耗低、性能稳定度高等特性,被广泛应用于现代微波工程领域。角锥、圆锥等单模喇叭天线的结构相对简单,口面场分布比较规则,具有近似的解析形式的辐射场量表达式。而对于具有复杂腔体结构的馈源天线,则需借助有效的数值方法进行分析与设计。随着现代通信、遥感技术的发展,人们已不满足于高增益天线系统的单频收发功能,而是希望借助一套收发设备完成多频段的功能集成,这就给馈源天线的设计带来了极大的挑战,除对传统设计方案的不断改进外,还需借助更为高效的数值仿真技术和优化流程,以在有限的时间要求内完成复杂的多目标优化任务。本文通过对现有多频馈源天线应用背景、实现形式、分析方法等方面的详细分析,针对军民领域需求均日趋强烈的多频卫星通信系统,以高计算效率、高性能指标完成度为出发点,提出了馈源天线基于模式分析理论的完整数值解决方案,具体包括常见的旋转对称喇叭天线内部均匀、不均匀腔体的多模等效电路模型分析、馈源天线在开放空间中的辐射、阻抗特性分析及在反射面天线系统中的耦合特性分析。同时,借助全波仿真、实验分析等手段,验证相关数值模型的计算效率与精度。本文首先分析了多频馈源内部腔体中可能包含的各类混合波导间及混合波导与均匀波导间的不连续结构,利用模式匹配法(Mode-Matching Method,MMM)计算各自的广义散射矩阵(Generalized Scattering Matrix,GSM),并通过严格的数学推导得到相邻波导间不同本征模式功率耦合系数的解析表达式,通过联合已被广泛讨论的均匀波导不连续结构和矩阵级联技术,可以快速建立各类典型馈源喇叭内部腔体的多模等效电路模型,从而将喇叭天线复杂的数值分析模型简化为腔体等效电路与辐射口面不连续结构的广义级联。进而,利用边界轮廓模式匹配法(Boundary Contour Mode-Matching,BCMM)计算其辐射口面的GSM,联合上述利用MMM获得的喇叭内部腔体GSM,可以直接建立喇叭天线辐射问题的完整GSM表示;在天线输入端口的激励模式确定后,可以解析地计算其在任意区域内的辐射场量,以及反射系数、带间隔离度等端口特性。为验证该混合模式分析方法,针对近年来市场发展迅速的Ku/Ka双频卫星通信,提出了两种Ku/Ka多频馈源天线的一体化设计,均采用介质、波纹混合加载技术,以优化其在双波段收发频带内的辐射特性,前者采用小口径开口波导设计,可以实现较宽的主辐射波束,主要应用于车载卫星通信地面站等对抛物面天线结构尺寸严格限制的功能平台,以保证抛物面多频带内稳定的高口面效率;后者旨在实现多频带内一致的辐射方向图特性,包括稳定的相位中心、主瓣宽度和辐射增益,以近似理想高斯波束的形式为反射面提供入射激励。同时,二者均可实现多频带内低交叉极化电平、旋转对称方向图、稳定的相位中心,以及良好的输入端口阻抗匹配和充分的带间隔离度。利用混合模式分析方法联合基于遗传算法的多目标优化流程,分别展开对上述多频馈源天线的全局优化,通过与全波仿真工具计算结果和实验测试数据的对比,验证了该算法极高的计算效率和数值精度。该混合算法可广泛应用于各类旋转对称馈源天线的优化设计中,尤其针对介质加载型馈源结构,通过提供完整的波导不连续结构等效电路模型库,严格地建立与馈源真实结构一致的模式分析数值模型,可以保证足够的计算精度,同时突出体现效率上的优势。同时,为构建完整的Ku/Ka双频馈源系统,针对上述馈源喇叭所采用的同轴波导混合馈电结构,分别提出了用于Ku波段正交线极化信号隔离的十字转门型同轴波导正交模耦合器和用于Ka波段正交圆极化信号激励的双频双圆极化器。前者可以保证全Ku波段内良好的阻抗匹配和高正交端口隔离度,通过调整其内部匹配块的几何尺寸,可以实现对具体应用频带的深度性能优化;后者可以实现Ka波段收发频带内任意形式的圆极化激励模式。最后,本文针对反射面天线系统中馈源天线的耦合、辐射问题,提出了基于广义网络理论的严格分析方法。通过计算相关辐射源、散射体基于GSM的多模等效电路模型,并借助球面波的平移叠加定理建立各单元间的等效空间传输线,可以实现各离散单元的快速独立分析与有效互连,从而极大地提高了计算效率。提出了两种喇叭辐射口面不连续结构的严格GSM计算方法。同时,可以利用BCMM分析具有平滑表面的金属散射体,以获得其基于球面波展开形式的入射、反射场单端口网络等效电路模型。进而,针对耦合影响显著存在的两类馈源天线系统级架构:馈源阵列和双反射面天线,分别利用上述方法对馈源间及馈源与副反射面间的耦合效应展开分析,从而获得其准确的辐射特性。为解决传统全波仿真技术在多频馈源天线优化设计及多馈源天线、散射体间耦合、辐射特性分析上的低计算效率问题,本文提出了完整的基于模式分析理论的数值计算方法,并通过在各类具有实际应用背景的数值分析问题上的应用,充分验证了其计算效率上的优势。