聚四氟乙烯、聚乙烯、有机玻璃等介质材料因其良好的透波性能和优异的机械性能被广泛用作高功率微波的输出窗口, 但关于窗口加工处理工艺对材料介电性能的影响却少有研究。利用高压电桥及高阻计对不同介质材料不同工艺下的基本介电参数进行了测量, 利用静电感应法对不同介质材料表面0.8~0.9 eV浅能级的电子陷阱密度分布进行了测试, 利用波导口开展了S波段800 MW、百ns微波脉冲作用下的介质击穿实验, 考察了材料表面粗糙度、划痕对介质窗表面击穿的影响。结果表明: 烘烤工艺在一定程度上降低了材料的耐击穿性能, 增加了介质损耗; 平行于电场方向的划痕形成了材料表面击穿的通道, 而该通道的存在又进一步加剧了击穿的发生。

综述了国内外真空中高功率微波(HPM)下介质窗表面击穿问题的研究现状和进展。在介质窗表面击穿实验研究方面, 介绍了国外最具代表性的研究成果, 给出了介质窗材料表面及内部的破坏发展规律, 并提出相应的理论模型。在理论仿真方面, 重点介绍了国外在运用蒙特卡罗(Monte Carlo)程序和PIC模型对认识HPM下介质窗表面倍增放电机理上做出的突出贡献, 给出了HPM下介质窗表面电子在不同影响因素下的运行状态, 并提出了一个理论模型, 从本质上解释了倍增电子数目和表面静电场以微波频率的2倍振荡的原因。介绍了目前几种可有效抑制介质窗表面微波击穿的技术手段。

研制了一套宽光谱探测系统，该系统包括紫外成像探测器和X射线成像探测器两个工作单元。利用该系统对高功率微波（HPM）源运行及聚四氟乙烯介质窗受微波场作用而发生击穿时实验环境中的紫外线和X射线进行了初步诊断。结果表明：HPM源运行参数为重复频率100 Hz，运行时间5 s，介质窗未发生击穿时，微波源二极管区产生的X射线剂量为9．28×102～1．64×103 Gy，介质窗发生击穿时，环境中X射线剂量为5．38×102～1．09×103 Gy；随着微波脉冲重复频率和运行时间的增加，产生的X射线剂量明显增加。此外，利用该系统证实了实验环境中紫外线的存在。

为了开展高功率微波(HPM)馈源输出窗介质击穿实验研究, 设计了一种组合型X波段高功率微波(HPM)喇叭馈源击穿实验装置。装置采用变张角喇叭与可移动介质输出窗组合的结构, 通过调节变张角喇叭口面与输出窗间的距离, 使得介质输出窗内表面电场强度可调。数值模拟结果表明：在满足馈源喇叭驻波比小于1.15, E面和H面基本等化的情况下, 当调节变张角喇叭口面与介质输出窗距离在0～400 mm范围内变化时, HPM馈源输出窗上的电场强度变化为32.6~87.0 kV·cm－1, 满足了在真空度3×10－3 Pa、脉冲宽度20 ns条件下, HPM介质击穿对电场强度变化的要求。根据数值模拟结果, 设计加工了HPM介质击穿实验装置, 并成功地应用于GW级HPM馈源输出窗介质击穿实验研究。

用耦合波理论分析了过模圆波导中不同模式之间的转换和波导弯曲半径之间的关系, 研制了弯曲角度为90°的过模圆波导弯头,设计了一种结构简单的TM01过模圆波导旋转结构。对圆波导弯头和旋转结构的高功率测试证明,它们在X波段功率容量均大于1 GW,微波传输效率均大于93％。在此基础上, 提出了一种组合式旋转关节, 该关节能够在方位和俯仰上实现360°旋转, 可应用于高功率微波的发射天线。

通过对波束波导馈电卡塞格仑天线工作原理的分析,论述了波束波导在高功率微波辐射天线中的应用及设计方法,重点介绍了一套利用波束波导馈电高功率微波辐射天线。该天线利用由三面反射镜组成的波束波导对一个由两个抛物面镜组成的双反射面天线进行馈电,实现了波束的快速扫描。该天线工作在X波段时,功率容量大于1 GW,天线增益大于50 dB。

建立了真空中高功率微波作用下介质窗表面电子运动2维仿真模型,充分考虑了微波电磁场及介质表面静电场等影响因素。通过对不同电子出射初始角度和微波场参数(电场幅值、频率及电子出射时电场相位)对电子运动状态影响的仿真分析,得到了二次电子倍增过程中电子在复合场下的运动轨迹、电子重新返回介质表面的撞击能量及返回时间等状态参数,获得了电子运动状态参数随电子出射角度和微波场参数的变化规律。研究发现:电子出射角度对其运动状态有显著影响,电子存在运动轨迹最大的某一出射角度,该角度下电子拥有最大的撞击能量;微波电场幅值的增加将使电子撞击能量增加,返回时间减小,微波电场相位的变化使电子的撞击能量和返回时间呈周期振荡,这从本质上解释了电子数量在二次电子倍增过程中以微波频率两倍周期振荡的原因;随着微波频率的增加电子将由简单的类抛物线运动转变为复杂的振荡运动。

在X波段微波源(频率9.4 GHz,功率1 GW)下,对4种典型介质窗材料(聚四氟乙烯、有机玻璃、低密度聚乙烯及高密度聚乙烯)在真空中进行了微波放电击穿实验,同时考虑了材料的不同表面处理工艺(表面刻槽和抛光)对其击穿特性的影响,对微波击穿后样品的表面形貌进行了宏观和微观分析,实验观测到:介质表面出现了沿微波电场方向的明显树枝状破坏现象,且材料表面处理工艺对其击穿破坏程度有显著影响,认为树枝状破坏通道与施加的微波场有着密切的关系。通过观察透明有机玻璃内部的树枝状破坏,发现树枝既沿介质表面生长,同时也向介质内部发展。提出了微波作用下介质窗击穿破坏的物理模型,认为微波电场导致树枝状破坏沿电场方向发展,而微波磁场导致树枝状向介质内部发展,并进一步给出了树枝状破坏起始和发展的可能原因。

利用有限元方法,通过调节X波段脉冲压缩装置的腔体长度、输入膜片宽度、输出耦合口位置等参量,研究了这些参量对谐振频率和品质因数的影响关系.研究表明:通过微调腔体长度并优化结构参数,可以将该装置的工作频率限制在规定的范围内;输入膜片缝隙由宽变窄的过程中,驻波比由大变小,达到临界耦合后,驻波比又由小变大,且谐振频率略有升高;品质因数与H-T分支的T形输出口的微波泄露密切相关,而该输出口泄露的大小随短路面到H-T分支中线的距离周期性变化.模拟得到的膜片距输出口中线长度为1 133.75 mm,分支中线到短路面的长度为95.25 mm,输入膜片宽9 mm,本征频率为9.387 2 GHz,输入耦合系数为1.15,品质因数为8 000.根据数值模拟结果,优化设计了一套脉冲压缩装置,实测得到的工作频率为9.388 4 GHz,输入耦合系数为1.03,品质因数为5 500.由于该装置输出口微波泄露较大,因此实测的品质因数比模拟的要小一些,这一点可以通过改进终端滑动短路面的调节方式来改善.

介绍用于φ7.3 m Cassegrain天线的高功率馈源喇叭的设计.为使E面和H面方向图在照射区域内具有高的等化度,选择双模圆锥喇叭作为馈源的结构形式.由于高功率源采用BJ-32波导输出信号,故馈源系统中还应包含一个矩形到圆形的模式转换器,将TE₁₀模转换为TE₁₁模.设计了双模圆锥喇叭和模式转换器,并进行了功率容量估算.测试结果表明,所设计的馈源达到了设计要求,理论计算结果和实验测试数据吻合良好.