针对Danilov(2007)提出的高阶模式激励器纯度未知和设计思路模糊的不足，介绍了一种改进型螺旋分布孔高阶旋转模式激励器，以实现同轴TE1,1模式到圆波导TE5,3模式的高纯度转换。根据不均匀弦方程，编制了数值计算程序对同轴腔体结构参数进行了优化计算，使工作模式能够有效谐振。基于小孔衍射理论以及PEC表面的电场边界条件，详细研究了螺旋分布孔的排列方式和模式抑制器的工作原理。数值计算和仿真结果表明：在中心频率30 GHz附近，TE5,3模式激励器的模式纯度高达97.4%，转换效率为96.1%。设计的高阶模式激励器相对于Danilov的结构具有纯度高和紧凑的性能。

基于弯曲圆波导耦合理论和规则圆波导突变结构模式匹配法, 利用MATLAB软件编写的相关数值计算程序得到波导模式转换结构的优化参量, 最终使用CST软件对模型进行了仿真和验证.该系统主要由三部分组成: 一个TE01-TE01的过渡器, TE01-TE11和TE11-HE11的圆波导模式转换器.计算结果表明, 该TE01-HE11模式转换系统在24.13 GHz的频率有5%的带宽、转换效率超过了99%.计算结果、仿真结果和实物冷测结果是一致的.

基于模式匹配法编制了分析内壁刻槽TE11-HE11圆波导模式变换器数值计算程序; 采用该程序为工作频率为30.5 GHz的高功率速调管设计了一半径为16 mm的TE11-HE11模式变换器。计算表明该变换器在2.6%的带宽内转换效率在98.8%以上, 实验结果表明该变换器性能良好。

针对蛇形圆波导变换器尺寸大和带宽窄的不足，提出了变周期蛇形圆波导模式变换器，以实现TE01到TE11模式的高效率转换。根据耦合波方程，编制了优化计算程序，对工作于30.5 GHz、半径为16 mm的变周期以及传统蛇形变换器几何结构分别进行了优化计算，得到了可实现最高模式变换效率的几何参量。计算结果表明：传统结构变换器最优长度长达1 056.97 mm,转换效率98.1%，90%以上转换带宽也仅为33%；变周期变换器最优长度为769.53 mm，转换效率为99.3%，90%以上转换带宽为5.9%。变周期结构相对于传统结构的模式变换器具有尺寸小和带宽宽的明显优势。测试表明所提出的模式变换器具有良好的模式变换性能。

提出了可应用于94 GHz回旋管内部的TE6,2准光模式变换器.根据几何光学和矢量绕射理论编制了模拟其电磁行为的分析和优化程序.根据几何光学原理，设计了该模式变换器的初步结构参数，然后利用该优化程序获得了最优化的相关参数.优化结果表明，在94 GHz，该准光变换器功率转换效率约为85%，转换所得波束高斯含量高于70%.

根据注-波互作用自洽非线性理论，编写了分析渐变复合腔的计算程序，通过该程序，获得了工作模式对为TE021-TE031的注-波互作用腔体和相关电磁参量的优化结果。应用粒子模拟软件对设计的复合腔进行了模拟，模拟与数值计算结果基本一致。根据计算结果研制了二次谐波回旋管,在加速电压57.5 kV、电流10 A下，测得其工作频率为94 GHz，输出模式为TE01，峰值功率和效率分别为156 kW和27.1%。计算、模拟和实验结果基本一致。

采用过模同轴波纹型返波管, 其互作用区由2段周期不同的波纹慢波结构组成, 利用粒子模拟软件MAGIC进行数值模拟, 得到了X波段稳定的3个频率微波输出。粒子模拟的结果为: 在强流电子束电压为570 kV, 电流为11.4 kA, 引导磁场为0.72 T的条件下, 获得的3个频率分别为9.575, 10.025和10.475 GHz,总微波功率为1.0 GW, 效率为15.4%。通过对电压的调节, 进一步获得了4个频率的微波输出。

提出了X波段双频两段式同轴相对论返波振荡器的物理模型,推导了该结构在冷腔时的TM0n模式色散方程,数值求解了两段式同轴波纹慢波结构TM01模色散曲线;用粒子模拟软件对其结构和电磁参数进行分析研究,优化得到的结构参数为第一、二段分别为10个和4个周期数,周期长度分别为0.50 cm和 0.73 cm,波纹幅值分别为0.13 cm和0.21 cm,平均半径为2.9 cm,同轴间隙为2.1 cm。结果表明:在环形相对论电子注电压为510 kV、电流为9.4 kA,引导磁场为0.7 T的条件下,器件得到了X波段稳定的高功率双频微波输出,其平均功率约为0.75 GW,平均功率效率为15.6%。

给出了圆筒形微空心阴极的3维流体方程组及其稳态的差分方程和合理的边界条件,并利用计算机模拟计算,得出了He放电形成的粒子密度、电子能量、 电场及电势分布。讨论了在阴极孔径为240~360 μm,气压6 666.1~13 332.2 Pa的范围内放电参量的变化规律:固定电压和气压时,阴极孔径减小,负辉区重合越多;固定阴极孔径和气压时,气压升高,带电粒子密度随着气压增加而增加。结果表明放电参量强烈依赖阴极孔径和气压。