Большая мощность и высокая частота излучения микроволновых источников обусловливают необходимость применения многомодовых (сверхразмерных) электродинамических систем. Наиболее мощные СВЧ-источники (гиротроны, генераторы с релятивистскими электронными пучками) работают, как правило, на очень высоких модах круглого волновода. Соответственно возникает проблема преобразования этих мод в удобные для последующей транспортировки и использования волны простейшей структуры. В более общей постановке задачу можно сформулировать как синтез трехмерных волноведущих или антенных систем, преобразующих исходное векторное поле в требуемое.
В ИПФ РАН был достигнут значительный прогресс в развитии методов преобразования волн. Под руководством члена-корреспондента РАН Г. Г. Денисова были созданы волновые трансформаторы, посредством которых такие сложные моды, как ТЕ_25.10, ТЕ_28.12, ТЕ_34.19, преобразуются в гауссовы пучки (собственные моды зеркальных волноводов) с эффективностью 95—97%, причем 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 (1 МВт / 170 ГГц для проекта ИТЭР; многочастотный гиротрон для установки ASDEX-Upgrade), имеющие рекордные коэффициенты преобразования рабочей моды в выходное излучение в форме гауссова пучка.
Для разработки многомодовых систем развиты оригинальные методы: метод измерения пространственных структур волновых потоков на основе теп-ловизионных измерений, метод восстановления фазовых фронтов на основе амплитудных распределений, методы анализа и синтеза многомодовых систем на основе скалярных и векторных интегральных уравнений.
Поскольку для транспортировки волновых потоков большой мощности используются волноводы широкого сечения — закрытые сверхразмерные или открытые зеркальные, возникла необходимость в разработке для таких трактов элементов сопряжения, управления и измерения. К числу таких элементов, разработанных в ИПФ РАН, принадлежат направленные квазиоптические и волноводные ответвители, зеркальные и волноводные преобразователи структур полей, делители и сумматоры волновых потоков, мультиплексоры широкополосных сигналов, универсальные поляризаторы, управляемые переключатели волновых потоков, пассивные и активные компрессоры микроволновых импульсов, поглощающие нагрузки для мегаваттного миллиметрового излучения.

Квазиоптический резонансный диплексор, суммирующий излучение от двух гиротронов (~140 ГГц /~0,5 МВт) и коммутирующий суммарный поток между выходными каналами с частотой до 20 кГц

Один из важных результатов последнего времени — разработка (под руководством М. И. Петелина) метода управления потоком микроволнового излучения, генерируемого комплексом гиротронов, частоты которых управляются изменением напряжения. Предложенный метод позволяет суммировать мощности от набора гиротронов и адаптивно (для подавления гидродинамических неустойчивостей) сканировать суммарный волновой поток.
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, LHD, Aditia, ASDEX, W7-AS 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 МСЭ.

Пример одной из сложных задач электродинамики многомодовых систем: синтез квазиоптической системы многочастотного мегаваттного гиротрона. Схема и структуры полей в различных местах электродинамической системы. Трехмерная поверхность волновода и зеркал синтезирована с помощью оригинального метода, разработанного в ИПФ РАН