高速磁浮列车毫米波车地通信系统要求其车载天线具有小型化、宽频带、圆极化和辐射扇形波束等特点。为更好地满足这些要求，设计一种中心馈电的小型化波导螺旋阵列天线。该天线馈电系统采用同轴波导中心馈电、4路矩形波导并馈的形式，通过改变馈电波导尺寸、耦合探针长度以及末端采用波导同轴转换器等形式，实现了所有单元的等幅馈电；天线单元由低剖面螺旋天线构成，采用顺序旋转技术改善天线的圆极化性能。利用全波电磁仿真软件设计了一款中心频率为38 GHz的28单元波导螺旋阵列天线，并进行了实验测试。测试结果表明：在37~39 GHz频带范围内，天线驻波比小于1.41，增益大于21.7 dB，轴比小于3.6 dB，俯仰面波瓣宽度为4.5°~4.7°，方位面波瓣宽度为29°~29.7°，满足毫米波车地通信系统车载天线的设计需求。

为了提升高功率微波辐射天线的带宽，提出并设计了一种X波段高功率圆极化反射阵列天线，该天线采用喇叭天线作为馈源，阵列天线单元由可旋转金属双螺旋线构成，通过旋转螺旋线可以实现360°的相位补偿，同时反射损耗极小。设计了15×15矩形栅格螺旋反射阵列天线，全波仿真结果表明：该口径为315 mm的阵列天线在中心频点9.3 GHz下，增益为28 dB，轴比为0.53 dB，口径效率为52.6%；在8.5~10.9 GHz的频带范围内增益大于26.8 dB，轴比小于1.14 dB，1 dB增益带宽和40%以上口径效率带宽均大于21%；在真空中所能承受的最大功率约为207 MW。

设计了一种尺寸紧凑并具有高功率容量的圆波导TE11-TM01模式转换器，结构呈直角转弯形状。该转换器利用传输TE11模式的圆波导与其E面分支耦合进行模式转换，并在TM01输出端口的反向传输短路面加入调配螺钉来拓宽频带。设计结果表明，转换器在工作频率12.7 GHz处的转换效率为99.6%，大于90%的带宽约20%，填充SF6绝缘气体工作时可获得12 MW的功率容量。

针对控制系统软件在线更新或升级维护的需要，构建了SoPC远程更新系统，研究了一种远程在线更新FPGA硬件配置文件和Nios II软件可执行文件的可重构方法。通过硬件配置代码和软件可执行代码引导顺序的分析，设计了高级BootLoader，可以从任意指定地址加载应用模式映像软件代码；EPCS存储用于远程更新的工厂模式映像和多份用于天线相位控制的应用模式映像；采用自定义的CAN应用层协议，用于传输及校验数据，保证了传输的可靠性。实验验证了方案的可行性，系统可进行多份配置程序的自由切换；即使远程更新失败，FPGA也能自动加载工厂模式映像，提高了系统安全性和可靠性。

提出了一种新型二次电子倍增阴极强流二极管, 并对其进行了动力学理论简化模型和蒙特卡罗数值模拟的对比验证研究。首先, 基于设计结构原型, 根据二次电子发射特性进行合理简化, 建立了动力学模型, 获得了电子速度、位移以及渡越时间的解析结果, 并结合Vaughan的二次电子产额模型, 确定了该新型二次电子倍增阴极强流二极管的理论工作区间; 其次, 理论分析了施加径向电场的重要意义, 并给出了二次电子运动特征参数(最大位移、渡越时间、碰撞能量等)的理论预估结果; 最后, 对该新型二次电子倍增阴极强流二极管进行了蒙特卡罗模拟研究, 获得了电子的运动轨迹、碰撞能量以及二次电子倍增工作区间等物理图像, 并将蒙特卡罗数值模拟结果与理论结果进行了比对, 两者吻合程度较好, 对可能的误差来源进行了分析讨论。理论和模拟结果表明: 新型二次电子倍增阴极强流二极管概念可行, 工作区间内通过调整施加电场与磁场幅值, 可有效达到电子运动状态可控的目标。另外, 理论粗估了二次电子倍增饱和条件下的阴极发射电流密度, 结果表明: 发射电流密度可达kA/cm2水平, 具备强流发射特性; 增加外加径向场强幅值可有效提升发射电流密度。最后, 对该新型二次电子倍增阴极设计步骤和依据进行了讨论。

提出了一种可由脉冲功率驱动的新型二次电子倍增阴极构型，并对其进行了动力学过程的初步理论研究。首先，针对该二次电子倍增阴极，建立了动力学模型，获得了二次电子的位移和速度方程，讨论了电子初始出射速度对其轨迹、渡越时间和碰撞能量的影响，理论给出了渡越时间和碰撞能量的近似解析表达式。其次，通过动力学方程与Vaughan二次电子产额经验公式的耦合求解，获得了该二次电子倍增阴极的工作区间，并对其进行了细致讨论。结果表明：该新型二次电子倍增阴极二极管概念上是可行的，在涂敷高二次电子产额系数材料的圆柱形介质上施加合适的轴向和径向静电场(MV/m量级)以及轴向静磁场(T量级)，可以达到电子沿阴极表面螺旋行进过程中实现二次电子倍增并最终获得电流沿轴向放大的设计目标。另外，讨论了正电荷沉积引发的二次电子倍增饱和现象，并对阴极发射电流密度进行了理论粗估，结果表明：阴极发射电流密度可达kA/cm2水平，具备强流发射特性；增加外加径向场强幅值可有效提升阴极发射电流密度。

设计了一种用于高功率径向线螺旋阵列天线的极化转换天线罩。利用三层介质层包夹双层金属折线，形成密封的埋入式折线栅结构。在实现圆极化与线极化相互转换的同时，又避免金属与空气接触，可以提高功率容量。分析了埋入式折线栅单元各参数的影响，并优化单元参数，以此构建埋入式折线栅极化转换天线罩并加载至X波段高功率径向线螺旋阵列天线，分析了天线的基本性能以及功率容量。仿真结果显示：天线匹配良好，增益和波束宽度变化很小，中心频率轴比由1.16 dB变为40 dB，圆极化波转换为线极化波效果良好；经初步分析，极化转换天线罩的功率容量为121 MW，实现了极化转换天线罩的高功率应用。