为深入研究高功率微波(HPM)作用下介质窗沿面击穿破坏的物理机制，探索提高闪络场强阈值的方法和途径，开展了介质窗表面矩形刻槽抑制电子倍增的理论与试验研究。首先根据动力学方程建立了介质窗表面电子倍增模型并分析了介质窗槽内电子运动轨迹，考虑了矩形槽结构对表面微波电场的影响，理论分析表明在闪络击穿的起始和发展阶段矩形槽可有效抑制电子倍增。在S波段(2.86 GHz，脉宽1 μs)下开展了介质窗表面矩形刻槽的击穿破坏试验，试验结果发现表面矩形刻槽可大幅度提高微波传输功率，在槽深(1.0 mm)一定时不同的刻槽宽度(0.5 mm和1.0 mm)对应的微波功率抑制范围不同。采用PIC-MC仿真模拟槽内倍增电子的时空演化，仿真结果很好地验证了试验现象。

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。

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。