为实现高功率微波(HPM)系统的小型化，设计一个S波段较低磁场相对论返波管(RBWO)振荡器。针对低磁场特点，分析慢波结构、引导磁场、束压、束流等对输出微波的影响，通过模拟软件(PIC)优化结构。以此设计引导磁场为0.24 T，电子束束压为725 kV，束流为6 kA，频率为3.53 GHz，输出微波功率为1.22 GW，束波转换效率为27%的低磁场S波段相对论返波管。仿真实验结果表明：在强流电子束加速器平台上外加磁场为0.24 T时，得到平均功率1 GW、频率3.58 GHz、脉宽90 ns的微波输出，与理论值一致。进行了重频为1 Hz，20 s的稳定性实验，该实验结果为实现相对论返波管的永磁包装奠定了良好的基础。

为了实现高功率微波发生器的小型化, 开展了S波段低磁场相对论返波振荡器工作特性的研究工作。由于S波段返波振荡器频率低, 对应的电子回旋共振磁场强度也很低, 因此低磁场条件下面临着电子束传输效率低和束波互作用效率低两大问题。为解决上述问题, 采取下列措施: 通过加大电子束与器件内壁的距离, 提高电子束传输效率; 采用较深的慢波结构作为提取腔, 实现高束波互作用阻抗; 提取腔前采用浅深度慢波结构, 使提取腔区域的电子速度与微波相速同步。粒子模拟证明, 以上措施有效, 在引导磁场强度仅为0.17 T、电子束电压435 kV、电流6.5 kA的条件下, 该返波管获得功率为670 MW、效率约为25%的输出微波。相对于常规S波段相对论返波振荡器的磁场系统(B=0.8 T), 适用于该返波管的0.17 T低强度磁场系统螺线管外半径下降了20%, 能耗下降了约93.8%。

针对kW级微波驱动的锁相GW高功率微波，设计了一个高增益(大于50 dB)四腔相对论速调管放大器(RKA)。模拟表明，在此条件下高次模振荡严重影响器件的锁相实现。由此，将RKA结构与正反馈振荡电路结合起来，建立相应的等效电路来研究这种高次模激励的物理过程(即高次模的激励与中间腔之间耦合强度的相关性)。在高次模振荡的等效电路(即正反馈振荡电路)中，用衰减电阻代替结构中的微波吸收层来研究高次模振荡的抑制机理，衰减电阻通过对反馈过程的控制，提高了电路的自激振荡起振电流。在结构上按照衰减电阻要求设计了微波吸收层，将高次模振荡的起振电流提高到大于器件的工作电流，实现了高增益(约60 dB)条件下高次模激励的抑制。模拟获得了4 kW微波功率驱动的2.3 GW锁相高功率微波，增益接近60 dB。在LTD加速器平台的实验结果表明：注入微波由固态RF种子源提供(功率10 kW)，输出功率达到1.8 GW，增益为52.6 dB，90 ns内输入和输出微波的相对相位差小于±10°，实验上实现了kW级注入微波对GW高功率微波的相位锁定。

设计了一个X波段相对论返波管,通过对器件结构的特殊设计,提高了器件的Q值,同时增大了电子束与慢波结构之间的耦合阻抗,从而实现器件的低磁场运行以便对其进行永磁包装; 当引导磁场强度0.46 T、电子束束压750 kV、束流约5.5 kA时,得到频率9.1 GHz、功率1.24 GW的微波输出。根据模拟结果设计加工了一个磁场强度为0.46 T的小型化永磁磁体,该磁体长48 cm,最大外半径15 cm,总重量约116 kg。开展了永磁包装返波管的实验研究,得到以20 Hz的频率运行1 s时功率900 MW、单次运行时功率940 MW的X波段微波输出。

针对当前高功率微波(HPM)中的热点器件磁绝缘线振荡器(MILO) 频率低、效率低等问题, 提出了一种可以沿x方向平面展开的平面MILO。该器件也是一种低阻抗高功率微波器件, 通过一个低外加磁场来代替常规MILO中的磁绝缘电流, 辅助实现器件的磁绝缘, 从而实现器件效率的提高。结合PIC模拟, 建立一个外加低磁场的C波段平面MILO, 并根据其慢波结构(平面折绉表面)特点给出相应的色散曲线, 确定微波器件工作点, 利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟, 在输入为4.0 GW电功率(工作电压约800 kV)的条件下, 模拟得到频率为6.56 GHz的微波输出, 通过优化外加磁场, 使得模拟微波输出功率达到1.22 GW, 功率效率在C波段条件下超过30%。

设计了一个过模太赫兹返波管振荡器, 通过对慢波结构的精心设计, 使电子束动能得到充分提取, 实现器件的大功率及高效率运行。在电子能量和束流分别为280 keV和320 A的条件下, 当引导磁场强度为3 T时, 采用2.5维Particle in Cell (PIC)程序模拟得到频率为121.8 GHz、功率为13 MW的太赫兹波输出, 器件的束波转换效率约为14.5%。

为提高高功率微波(HPM)辐射天线的功率容量, 设计了带均压环的HPM微波辐射天线窗。均压环嵌入介质窗表面后介质窗表面电场分布发生改变, 电子运动轨迹也随之发生改变, 改变电子运动轨迹能有效抑制二次电子倍增造成的介质窗击穿。当均压环与辐射场电场垂直时, CST模拟表明, 均压环的加入基本不影响天线的辐射性能。将其应用于返波管振荡器(BWO)实验中(输出微波为TM01模), 结果表明: 在束压3 MV、束流10 kA、效率30%时, 普通天线窗输出脉宽为45 ns, 而加入均压环的天线窗输出脉宽100 ns。

针对过模返波振荡器中泄漏微波在二极管区谐振,造成微波脉冲缩短的现象,设计了内置吸波材料的阳极结构来抑制这种泄漏微波对器件输出的影响。利用粒子模拟软件对不同阳极结构下过模返波管微波输出特性进行模拟研究,模拟结果表明,带吸波材料的阳极结构可以减小泄漏微波对微波输出功率、器件工作模式及脉冲宽度的影响。在长脉冲过模返波振荡器实验中,电子束参数为(800 kV,7 kA)时,器件输出微波频率为8.58 GHz,效率为30%。通过模拟计算和实验验证,这种带吸波材料的阳极结构有效降低了泄漏微波对过模返波管微波输出的影响,将器件输出微波脉冲宽度从70 ns提高到110 ns。

为了实现高功率微波(HPM)系统小型化，结合传统低磁场相对论返波管振荡器(RBWO)的设计理论，设计一个Ku 波段较低磁场的相对论返波振荡器。分析束压、束流、引导磁场等对输出微波的影响，并采用粒子模拟软件(PIC)优化结构。当轴向引导磁场为0.4 T，电子束束压和束流分别为600 kV 和7 kA 时，得到频率为13.08 GHz，功率为1.0 GW 的微波输出。在强流电子束加速器平台上开展实验验证模拟结果：外加磁场0.4 T 时，得到平均功率为850 MW、频率13.05 GHz、脉宽24 ns 的微波输出。该实验结果为实现较低磁场GW 级微波输出打下了良好的基础。

利用辛普森算法求解螺线管线圈内磁场分布,证明了离轴磁场能用于电子束的聚束。利用2维粒子模拟程序建立了X波段五腔高增益速调管放大器模型,整管模拟得到了频率9.45 GHz、输出功率300 MW、增益50.3 dB和效率37.5%的微波输出。依此设计了X波段五腔高增益速调管放大器的三维模型,并将其分别放置在线圈中心轴和离轴54 mm的位置进行模拟,模拟结果证明工作在离轴状态的器件同样可以进行微波放大。最后,对一个螺线管线圈内放置七个器件的状态进行了三维模拟,其合成功率输出可达2 GW。