传统的粒子模拟软件在获得微放电阈值时需要进行多次微放电模拟，而且不具备自动功率扫描功能，在不考虑电子运动所产生的自洽场的情况下，提出了一种微波器件微放电阈值功率自适应扫描方法，对同一微波器件中的电磁场只计算一次并重复利用，改变输入功率，获得不同功率下的粒子数目变化的趋势，结合阈值功率判断方法，进而能够快速获得微放电阈值。首先，采用MSAT粒子模拟软件计算单位功率下微波部件中的电磁场分布，接着利用蛙跳法求解粒子运动轨迹，然后结合二次电子发射模型确定出射粒子数目。在微放电模拟过程中对粒子数目曲线进行分析，建立微放电阈值判据方法，根据二分法改变输入功率使得粒子模拟软件在给定初始功率后自动给出微放电阈值。以微波阶梯阻抗变换器与同轴腔体滤波器为研究对象，采用该方法分别计算其微放电阈值并与实验结果进行对比，结果表明，该方法具有准确性。

半导体断路开关的输出电压中的预脉冲现象, 严重影响了整个系统的输出脉冲前沿陡度和重复频率。针对半导体断路开关在反向截断过程中预脉冲产生的过程和机理进行了研究。利用Silvaco Atlas仿真软件对半导体断路开关正反向泵浦过程中载流子的迁移和电场的变化过程进行了详细考察, 发现预脉冲的产生是由双边截断过程中N-N+结截断所引起的脉冲前沿变缓现象, 其长短主要取决于P型轻掺杂区内的少子电子的迁移率, 而脉冲前沿的陡度则取决于双边截断过程中的PN结截断过程。同时, 对具有不同基区长度的器件, 对其在不同泵浦电流密度下的情况进行了模拟和对比, 发现器件基区越窄, 脉冲前沿越陡, 而预脉冲基本相等; 低电流密度条件下只发生N-N+结单边截断, 大电流密度条件下则发生双边截断, 而双边截断的延迟更长, 但脉冲前沿拐点更陡, 截断更快。

通过T-CAD软件建立了PIN 二极管的电学模型和热学模型, 模拟了PIN 二极管的稳态与瞬态特性。研究了PIN 二极管器件在正反偏压和脉冲电压下的电学特性及热学特性, 讨论了PIN二极管的I层厚度与温度的关系, 模拟得到了不同I层厚度的稳态与瞬态响应曲线、得到了与器件内部温度的关系。模拟结果表明: 随着I层厚度的增加，器件内部最高温度增长减慢，器件内部最高温度区由结区位置向器件的中间位置移动。

为解决正交场返波管太赫兹源慢波结构的设计问题，研究了开放式单排矩形梳齿慢波结构的色散及耦合阻抗特性并给出了设计思路及结果。利用单模近似法和数值计算得到了各几何参数对慢波结构性能的影响。结果表明：慢波周期长度可相对独立地优化耦合阻抗；设计慢波结构时可根据工作频率、加工工艺和电子枪性能确定其余三个几何参数，主要是对慢波周期长度进行调节。进一步的数值计算给出了梳齿间距在0.010~0.025 mm 范围内、工作频率在300~420 GHz 范围内的开放式矩形梳齿慢波结构的具体尺寸。利用粒子模拟软件对一个设计结果进行了仿真，得到的工作频率验证了冷腔分析的结果。

采用Silvaco TCAD软件,对P+-P-N-N+SOS结构输出脉冲宽度的参数影响规律进行了一维数值模拟研究,包括N+区扩散深度、有效横截面积、外电路参数等。模拟结果表明：随着N+区扩散深度、有效横截面积的增加和外电路电阻的增大,输出脉冲的宽度减小。通过参数优化,获得了脉宽约为4 ns的输出脉冲。

基于第一性原理的粒子模拟方法，对高功率微波器件中介质窗表面电子实际形成和发展的变化情况进行了研究。使用VORPAL粒子模拟软件，建立一个简单的TEM波垂直入射介质窗表面的二维模型，采用Vaughan二次电子发射模型，利用蒙特卡罗碰撞方法处理电子与背景气体之间的弹性碰撞、激发碰撞和电离碰撞，获得了介质窗表面电子倍增的图像。模拟结果表明，介质窗表面电子数量在一定的时间内达到饱和状态，其振荡频率是入射射频电场频率的两倍。改变初始发射种子电子的数量、入射射频电场的幅值以及背景气体的压强等关键性参数，可得到不同条件下介质窗表面电子数量的变化规律。

当前国际上基于Vaughan二次电子模型的材料数据库十分丰富，且其数据均经过大量实验验证，具有很高的实验精度和可信度。为了将这些数据库融入到自主开发的电磁粒子联合模拟平台，完善和提高电磁粒子混合算法的计算精度，在对经典Vaughan模型做了深入研究的基础上，成功地推导出产生二次电子数目的计算方法。此外，为了使经典Vaughan二次电子发射理论更便捷和完整地应用到实际工程应用当中，还对二次电子出射能量以及二次电子出射角度的计算等实际问题做了进一步的拓展性研究。数值计算结果验证了拓展后Vaughan模型算法的准确性和鲁棒性。

目前国际上提出了采用短脉冲射频(RF)信号实现相对论磁控管的模式切换，数值模拟经证实了可以采用几十kW到几百kW的RF信号实现相对论磁控管采用轴向提取功率的相邻模式以及同一模式的不同纵向模式之间的切换，这里假设所需的RF信号的能量已经馈入到相对论磁控管腔体内。提出了实验系统中采用扇形波导和探针天线来馈入前级微波源来提供模式切换所需的RF信号的能量的方法。该方法分为两个步骤，首先采用扇形波导来将前级微波源提供的能量馈入到相对论磁控管的阳极体中；然后利用探针天线将馈入的RF信号辐射至相对论磁控管腔体内，提供模式切换所需的能量。数值模拟证实了该方法在实际应用中具有可行性以及实用性。

在维持电路参数同比变化和通过半导体断路开关(SOS)的电流密度不变的基础上，提出了一种SOS截断特性模拟的缩比模型，并可在Silvaco ATLAS软件中应用。在以不同的缩比率选取等效SOS横截面积的情况下，将原电路中串联的100个二极管等效为若干个二极管，模拟得到了相同的二极管电流和电压波形。模拟结果表明，该模型不仅可以得到正确的SOS瞬态截断过程，而且可将计算速度提高近百倍。通过对SOS截断过程中载流子分布和电场分布变化过程的分析发现，SOS的截断过程发生在nn+区。

在粒子模拟的基础上，结合经典空间电荷限制流、磁绝缘临界电流的理论公式，拟合得到磁绝缘传输线中空间电荷限制流的修正计算公式，并进一步建立磁绝缘传输线损失电流的插值计算模型。该模型不需要求解广义泊松方程，计算效率高。通过对长同轴磁绝缘传输线的等效电路模拟，得到了与全尺寸粒子模拟结果基本一致的负载电压波形，插值计算模型不仅正确地反映了磁绝缘传输线中的电流损失过程,而且其等效电路模拟计算效率比粒子模拟提高3000倍以上。