利用高折射率的金属超材料作为移相器, 设计了一种紧凑型高功率微波TEM-TE11模式转换器。通过研究同轴扇形金属栅格超材料的传输特性, 得到高折射率的全金属超材料。采用CST Microwave Studio 软件对金属超材料TEM-TE11模式转换器进行了数值模拟, 结果显示: 该转换器在1.56 GHz附近转换效率大于96%, 相对带宽约4%, 功率容量不低于2 GW, 系统纵向长度仅0.42个波长。将所设计的模式转换器结合L波段磁绝缘线振荡器开展了一体化设计, 在器件输出口得到了TE11模高功率微波输出。

在同轴传输线内外筒之间引入金属支撑杆，建立了同轴传输线中二维金属光子晶体的物理模型。利用等效电路方法分析其传播情况，通过低频和高频近似得到了两个特征频率。其中，金属光子晶体的第一个带隙从零频开始，到第一特征频率截止；第一个通带从第一特征频率开始，到第二特征频率截止；第一、第二特征频率与金属光子晶体的等效电参数相关。利用CST软件对模型进行了仿真计算，验证了等效电路分析结果的合理性。仿真结果显示，在沿纵向具有N个周期的有限结构中，光子晶体通带分裂成(N-1)个传输峰。并根据其电场分布得到了色散曲线。

根据现有的慢波结构色散特性的理论分析，提出了一种Ku波段的磁绝缘线振荡器(MILO)。与常见MILO的慢波结构不同，该MILO的慢波结构通过增大扼流腔的外半径来实现扼流作用，以防止阴阳极击穿。利用3维电磁场模拟软件对Ku波段MILO的开放腔模型进行了分析，得到其谐振频率为13.536 GHz以及有载品质因数为43。同时利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟，进一步优化了MILO结构，研究了输出微波的功率效率与输入电压的关系，得到的最优工作电压为600 kV。在外加电压600 kV、束流47.4 kA的情况下，模拟得到的平均功率为3.69 GW，中心频率为13.62 GHz，功率转换效率为12.6%。

为了便于模式变换器的设计，达到双频微波都能集中辐射的目的，提出一种轴向分区的双频磁绝缘线振荡器，该器件束波互作用区为中间隔开、两端不同周期、不同深度的慢波结构，使电子在上下游与不同频率特性的慢波结构进行束波互作用，得到稳定的双频微波输出。使用2.5维全电磁粒子模拟软件进行数值模拟，在工作电压450 kV，电流40 kA条件下输出微波功率为1.4 GW，功率效率约为7%,输出的微波频率分别为1.25 GHz和1.65 GHz，两者频谱幅度相差约为1.5 dB，模式为TEM模。

为解决实验中经常遇到的输出微波频率不纯问题, 提出一种新型磁绝缘线振荡器, 采用2维周期慢波结构, 使对称模式和低阶非对称模的工作频率相同, 在模式竞争条件下得到纯频微波输出。利用3维电磁场软件计算表明,新型磁绝缘线振荡器的慢波结构的对称模式和低阶非对称模的π模谐振频率相同;3维粒子模拟计算表明, 在450 kV,40 kA输入条件下, 微波输出平均功率由2.4 GW提升至2.8 GW,输出模式为多种模式混合, 频率为单一的1.22 GHz。

建立了基于谐振腔深度角向分区的L波段双频磁绝缘线振荡器的模型,并采用数值研究的方法,开展了双频磁绝缘线振荡器主慢波结构的色散特性分析,同时还研究了封闭结构和开放结构的双频磁绝缘线振荡器的谐振腔,得到其谐振频率、场分布、Q值等信息,从高频特性研究的角度来进一步验证了双频磁绝缘线振荡器产生稳定的双频率高功率微波的可行性。研究表明:双频磁绝缘线振荡器的高频结构可以分区工作,每一个分区对应一个谐振频率。

建立了带输入、输出波导结构的C波段相对论速调管放大器3维整管模型,利用3维软件对其高频特性进行了数值计算研究,对整管结构进行了优化设计。并用3维PIC程序对电子束经过输入腔后的束流调制、注入微波的吸收情况、中间腔对束流的调制以及输出腔后微波提取情况进行了模拟研究。模拟结果表明:输入腔与微波注入波导匹配较好,注入微波能被电子束和谐振腔很好吸收,在输入腔间隙后20 cm处得到了11%的基波电流调制深度;在中间腔后15 cm处得到了约76%的基波电流调制深度;在中间腔后电流调制最强处加上输出腔,提取到800 MW的输出微波,效率26%。

建立了带输入波导结构的S波段速调管放大器输入腔开放腔模型,利用3维软件对其高频特性进行了数值计算研究,并对输入腔结构进行了优化设计。利用已加工的输入腔进行了高频参数的冷测实验研究,实验中的输入腔结构尺寸与高频分析中的完全相同,实验结果与高频分析结果一致。用3维PIC程序对电子束经过该输入腔后的束流调制以及注入微波的吸收情况进行了模拟。模拟结果表明:该输入腔与微波注入波导匹配很好,注入微波能被电子束和谐振腔全部吸收,在输入腔间隙后37 cm处得到了13%的基波电流调制深度。

利用数值模拟的方法,研究了角向分区比例分别为1:1,1:2,1:3,2:1和2:2的双频磁绝缘线振荡器(MILO)的微波产生特性,得到了“热腔”条件下的微波电场分布,电子的相空间图,输出微波的总功率,以及微波频率随角向的分布变化等特性。为了比较,还给出了对应于双频MILO的谐振腔深度的两种常规的角向均匀的单频MILO的模拟结果。研究揭示了双频MILO内束-波互作用分区分别工作的规律,提高了对双频MILO产生双频率高功率微波的机理的认识,为双频MILO的双频辐射技术和双频微波测试技术提供了依据。

在对磁绝缘线振荡器(MILO)慢波结构色散特性进行理论分析的基础上,结合负载限制型和渐变型MILO的特点,对X波段MILO慢波结构、阴极和中心阳极进行了设计。利用2.5维全电磁PIC程序进行粒子模拟,研究了输出功率与结构参数之间的关系,进一步优化MILO结构。在外加电压为510 kV,束流43 kA情况下,模拟得到平均功率2.83 GW的微波输出,中心频率为8.2 GHz,功率转换效率12.9%。