设计了一种适用于带状电子束高功率微波源的宽通带收集极,在有效吸收束-波相互作用后的带状电子束的同时,保证了带状电子束高功率微波源的工作模式——矩形波导TM11模式高效率地通过。研究结果表明：在13~27 GHz范围内,功率传输效率大于95%,这一宽通带特性使得该类型的收集极与带状电子束高功率微波源能够更好配合,显著提高了微波源的模拟优化和实验调试效率;TM11模式微波的传输效率对收集极厚度和长度等参数不敏感;该类型收集极结构具有良好的散热能力,在不加外部水冷装置的条件下,仅靠空气自然对流冷却和辐射冷却,可以承受电流3 kA、电压300 kV、脉冲宽度30 ns及重复频率50 Hz带状电子束的连续冲击。

设计了一种矩形波导隔断插板式TM11-TE10模式转换器。其结构是在矩形波导横截面窄边的中部,平行于横截面宽边插入一块金属平板,将其等分为上下两个矩形波导,将TM11模式转换为分别位于上下两个矩形波导内相位相反的TE10模式。然后分别在上下两个矩形波导内,平行于窄边等间距地插入一组金属薄板。TE10模式微波经过轴向长度差为合适值的上下两组插板后,相移差变为180°,使原本相位相反的TE10模式转为同向,最后通过阻抗渐变合成单个波导的TE10模式。该模式转换器可与带状电子束高功率微波源共轴,其横向最大尺寸可与带状电子束高功率微波源矩形输出口保持一致,轴向长度较短,结构简单、紧凑。利用有限元算法仿真软件,对该设计方案进行了验证和初步优化设计。初步的设计结果表明：当相对带宽为10%时,TM11至TE10模式的转换效率大于-0.45 dB,可满足带状电子束高功率微波源对输出结构的设计要求。

研究了一种能同时实现S波段频率可调谐和微波轴向输出的相对论磁控管，该管采用10腔旭日型谐振腔结构和改进型轴向输出结构。利用高频场分析软件与粒子模拟软件，初步分析和优化了器件的工作性能。模拟结果表明：当电压为350 kV，磁场为0.3 T时，在20 %相对带宽(约700 MHz)内输出功率大于530 MW，功率转换效率大于20%，功率转换效率最高达到40.19%。

建立了微波脉冲在建筑物内传播、反射及透射过程的3维仿真模型，提取了空间电场时域最大值进行统计分析。分析表明：不同入射角窄带调制方波脉冲激励下，场增强区域大小与微波通过窗户和门能直接照射到的区域大小呈正比，窗户的大小对建筑物内空间场强增强区域的大小有显著影响；同时在微波脉冲的传播方向上，窗沿后的区域场强幅值明显减小；脉冲宽度对建筑物内空间场强增强区域的大小及空间场强最大值影响很小；无上升下降沿的窄带调制方波脉冲激励下，空间电场叠加增强效应更强。测量了微波脉冲辐照下，建筑物内空间功率密度分布，验证了仿真结果。

利用理论分析和数值计算的方法，研究了偏置磁极周期会切磁铁产生的、可用于带状电子束宽边聚焦的边聚焦场。结果表明:增加偏置长度，减小电子束通道宽度，增大磁极轴向长度可以在基本不改变边聚焦场在x方向上分布特性的前提下提高幅值；增大电子束通道的高度，增大磁极厚度均可以减小边聚焦场在x方向上分布曲线的曲率，但同时其幅值也会降低，该降低可利用前述方法予以补偿。在对带状电子束宽边聚焦进行束匹配时，可以先进行曲率匹配，再进行幅值匹配。在进行参数选择时，应合理选择束通道高度和磁极厚度的取值，以避免束通道内的边聚焦场在x方向上的分布出现曲率反向。

对低幅值、短周期、有偏置磁极的周期会切磁场中300 keV, 3 kA带状电子束的传输进行了理论分析和粒子模拟。给出了将波导宽度考虑在内的轴向均匀带状电子束的空间电荷场和作用在有限厚度的带状电子束的短边和宽边上的聚焦力的表达式, 并利用束匹配的方法得到了磁场的幅值和周期, 以及电子束通道的宽度和高度等参数。最后根据理论计算的结果进行了3维粒子模拟验证, 结果表明: 束宽边上聚焦良好, 而在短边上带状电子束的轴向有限长效应使得聚焦力与散焦力沿轴向不能完全匹配, 在束包络上产生了Betatron振荡, 但在300 mm的距离上传输效率仍能达到98%以上, 说明有偏置磁极的周期会切磁场聚焦强流带状电子束在理论上是可行的。

给出了一种利用薄金属带构造的、能够产生周期会切磁场的空气芯电磁铁的设计方案, 研究了该类型电磁铁产生周期会切磁场的规律。结果表明, 通过增加电磁铁的周期长度, 减小电子束通道的高度, 或在金属带自身的电阻性发热所能承受的范围内增大金属带上传输电流的线密度, 都可以提高电磁铁的励磁强度。增加电磁铁的周期长度, 还可以提高周期磁场轴向分布的均匀性。

设计了一个用于为L波段同轴相对论返波振荡器提供导引磁场的双线绕制、分段磁场线圈系统。根据粒子模拟中对磁场的要求和实验室已有的条件来确定磁场的各参数,通过数学软件Mathcad和全电磁粒子模拟程序Karat对设计出的轴向磁场位形进行验证。采用基于Hall效应的Tesla计对加工好的磁场线圈产生轴向磁场空间分布进行了测量,同时利用电子束轰击尼龙靶来考察电子束被导引的效果。利用绕制好的磁场线圈开展了初步实验研究,在二极管电压655 kV,电子束流为10.4 kA,导引磁场0.7 T的条件下,输出微波峰值功率约为864 MW,微波波形半高宽为23 ns,功率转换效率约为12.7%,频率1.61 GHz。

利用理论分析和数值计算的方法研究了矩形波导内均匀电流密度的带状电子束模型的空间电荷场,给出了该带状电子束模型的空间电荷场的解析表达式,并研究了空间电荷场随带状电子束的几何参数和物理参数的变化规律。研究表明:在不改变电流密度的前提下,更宽的电子束可以传输更强的束流,而空间电荷场并不随束宽度的增大而增大,但是增加电子束厚度会使空间电荷场显著增强,从而不利于高流强电子束的传输;对于相同电流的带状电子束,保持电子束厚度不变,增大电子束宽度,相应地降低电流密度是降低空间电荷场的一个很好的途径,而保持电子束的宽度不变,增大束厚度,相应地降低电流密度只会使沿着电子束截面宽度方向的电场减小,而沿着电子束截面厚度方向的电场基本不变;对于相同电流和电流密度的带状电子束,更宽、更薄的电子束横截面尺寸能使沿着电子束截面宽度方向的电场降到更低,而沿着电子束截面厚度方向的电场只是略有减小。

轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器可以不需要模式转换器或弯曲过渡波导而直接通过天线轴向辐射微波,从而使微波源及其辐射系统更加紧凑.粒子模拟结果表明,在400 keV,8.9 kA的束流条件下,轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器在2.12 GHz处可以获得功率为500 MW的高功率微波输出,功率效率为14%,频率、模式纯净.这些结果为相同波段同类装置的小型化提供了一条可能的技术途径.