从抑制强场击穿的角度出发，结合传统理论和相关粒子模拟方法，设计并优化了工作于C波段的长脉冲相对论返波管。模拟中，利用强流相对论电子束的空间电荷场效应，将3 GW功率水平下电动力学结构表面的最大发射电场控制在700 kV/cm以下。利用实验室700L脉冲功率驱动源平台开展了相关实验验证，实验结果表明，通过合理的结构设计，在功率3 GW级水平下，C波段相对论返波管中的脉冲缩短问题能够得到有效抑制。实验中，当工作电压760 kV、电流为9.0 kA时，在4.23 GHz频点处获得的输出微波功率为2.8 GW，微波脉冲半高宽约101 ns，功率转换效率约41%，实验结果与模拟结果吻合较好。

相对论返波管(RBWO)高频结构表面微凸起结构导致的表面场致电子发射会加速或加剧射频击穿过程,引起RBWO功率容量下降。为提高现有RBWO的功率容量,给出了RBWO高频结构表面场增强的抑制方法,对一种X波段RBWO表面进行了精密工艺处理后,将表面粗糙度降低至未经表面精密处理时的1/40以下,有效降低了高频结构表面场增强因子,减小了结构表面场致发射电子的能力。进一步开展的高功率微波实验研究表明,抑制表面场增强后X波段RBWO的功率容量提高了25%。

采用粒子模拟方法对一种基于过模结构的表面波振荡器相对论太赫兹源进行了研究，模拟得到了频率为0.148 THz的电磁波输出，主要输出模式为TM01模式。该结构的特点是没有反射结构，电磁波会进入二极管区域。研究了电子束电压和二极管区域内电磁场对输出功率和频率的影响以及器件几何结构参数对输出功率的影响。计算结果表明，泄露到二极管区域的电磁波对器件工作状态影响很小，但是二极管参数对器件的输出功率影响很大。

基于高功率微波辐射场分布积分方法,通过衰减、延迟、合路等技术手段,研制了一套高功率微波辐射场功率阵列测量实验装置。该装置仅利用一台示波器就可以同时测得16个不同点处的高功率微波辐射场波形,由此得到不同点处的功率密度,在辐射天线方向图旋转对称的条件下,利用编写的程序可以迅速求得单次、短脉冲高功率微波源的空间辐射功率,并在X波段相对论返波管高功率微波源功率测试中得到应用,为高功率微波功率测量特别是单次HPM功率测量,提供了一种新的功率测量阵列装置。

利用求解格林函数的方法,对束流预调制型同轴虚阴极振荡器进行了初步理论分析。分析结果表明,相同参数入射电子束同轴虚阴极振荡器的束波转换效率正比于预调制深度的平方,提高预调制的深度可以很好地提高束波转换效率;任意的束波互作用区结构参数和入射束流分布参数,都会存在一个对应工作状态下最大束波转换效率的最佳预调制频率,合理选择预调制频率可以优化同轴虚阴极振荡器的微波输出。

利用模式匹配方法对"冷"谐振腔反射器的反射特性进行了理论分析,推导出了谐振腔反射器的广义散射矩阵.对应用于X波段低磁场返波管的谐振腔反射器的反射特性进行了研究,并利用数值模拟软件分析了在全反射条件下谐振腔反射器中的电场分布.结果表明:当反射器的内外半径的选取合适时,反射器可以在较短的长度时获得较大的反射,而且反射系数对反射器长度的变化不敏感.