高功率毫米波广泛应用于等离子体回旋共振加热、定向能武器、高分辨率雷达、材料处理等领域。功率监测是高功率毫米波应用系统中的重要环节,是国内外高功率毫米波传输技术研究中的重要内容,其中定向耦合器是功率测量的一种常用器件,但在高功率毫米波应用情况下往往面临击穿打火、杂模干扰等技术难题。本文对高功率毫米波定向耦合器技术开展研究,分别从耦合理论、耦合结构、功率容量、杂模干扰、极化与波束方向监测方面开展了深入探索,具体成果与工作如下:1、对传统小孔耦合理论进行了修正。针对高功率毫米波定向耦合器的耦合孔半径、厚度大(相对波长),导致理论数值计算结果与实际工程应用结果相差较大的问题,引入大孔修正因子与厚孔修正因子,提高了小孔耦合理论数值计算结果的准确性。2、基于修正后的耦合理论,对高功率过模圆波导TE01选模定向耦合器进行了研究。围绕杂模抑制问题对三种不同的小孔分布结构进行了细致分析,利用相位叠加原理设计了两组完全相同的耦合孔阵列,能够很好地抑制TE02模的寄生耦合。主模TE01模在频率34 GHz~36 GHz范围内的耦合度为-46 dB±1 dB,而杂模TE02模的耦合度在-60 dB以下,较常规耦合结构杂模抑制度大于15 dB。3、基于修正后的耦合理论,对波纹波导HE11-TE10多孔定向耦合器进行了研究。对耦合器的工作原理进行了分析,并建立仿真模型,完成理论与模拟的对比验证。同时,在毫米波定向耦合器功率监测结构的基础上提出极化监测的方法,将耦合器副波导的矩形波导替换为方波导,通过测量方波导中TE10与TE01模式的信号大小来判断HE11模式的极化方向。4、对毫米波定向耦合器在波束方向监测方面的应用开展了研究。利用四组耦合孔阵列和两个魔T结构实现了毫米波功率与波束方向监测的集成。结果表明当波束的传输角度发生0.1度偏差时,输出信号变化大于11 dB,波束偏离角监测灵敏度大于0.008度/dB。