Большая мощность и высокая частота излучения микроволновых источников и соответствующих компонентов, как правило, обусловливают необходимость применения многомодовых (сверхразмерных) электродинамических систем. В частности, наиболее мощные СВЧ-источники (гиротроны, генераторы с релятивистскими электронными пучками, лазеры на свободных электронах) обычно работают на высших модах. При этом возникает проблема преобразования таких мод в удобные для последующей транспортировки и использования волны простейшей структуры. Уже в 60-х годах М. И. Петелиным, С. Н. Власовым и Н. Ф. Ковалевым были предложены два типа волновых трансформаторов, основанных на квазиоптических принципах: на селективном резонансном рассеянии волн периодическими структурами и на перестройке лучевой структуры моды профилированными рефлекторами.
К настоящему времени прогресс в развитии методов преобразования волн, достигнутый лабораторией Г. Г. Денисова, привел к созданию волновых трансформаторов, посредством которых такие сложные моды, как ТЕ_22.6, ТЕ_25.10, ТЕ_31.12, преобразуются в гауссовы пучки (собственные моды зеркальных волноводов) с эффективностью 95–97%. При этом в промежуточных сечениях реализуются структуры, оптимальные для того или иного узла, например для выходного окна гиротрона. Это позволило реализовать простые и надежные конструкции промышленных гиротронов, имеющие рекордные коэффициенты преобразования рабочей моды в выходное излучение в форме гауссова волнового пучка.

Пример одной из сложных задач электродинамики многомодовых систем – синтеза квазиоптической системы мегаваттного гиротрона

Для разработки многомодовых систем в ИПФ РАН развиты оригинальные методы измерения пространственных структур волновых потоков, восстановления фазовых фронтов на основе амплитудных распределений, а также методы расчета многомодовых систем на основе скалярных и векторных интегральных уравнений. Разработаны элементы сопряжения, управления и измерения для многомодовых систем, среди которых направленные квазиоптические и волноводные ответвители и преобразователи структур полей, делители и сумматоры волновых потоков, пассивные и активные компрессоры микроволновых импульсов, поглощающие нагрузки для миллиметрового излучения мегаваттной мощности.
Благодаря разработке новых компонентов и оптимальным методам диагностики с использованием анализа модового состава излучения созданы линии передачи мощного СВЧ-излучения (или их части) на различных комплексах УТС (Т-10, TEXTOR, TdeV, LHD, Aditia, ASDEX, W7-AS, Triam, Heliotron-E и др.), на ускорителях (ЦЕРН), в технологических установках для СВЧ-обработки материалов и выращивания алмазных пленок по CVD-технологии, в источниках многозарядных ионов и радарных системах, в сложных мазерах на свободных электронах.