高功率微波（HPM）产生器件通过增加慢波结构的过模比使得功率容量显著提高。嵌套型结构让过模器件的空心结构或内导体结构得到使用，同时嵌套型器件的低阻抗使得其与低阻脉冲功率源能良好匹配。基于内外嵌套结构提出了一种锁频锁相高功率微波振荡器。相对于传统的锁频锁相方法，提出了基于耦合波导实现锁频锁相的新方法。内外相对论速调管振荡器（RKO）产生的微波信号通过耦合波导泄漏到高频结构中，对电子束进行预调制，从而实现锁频锁相。另外，为实现内外高功率微波通道合成，设计了双通道功率合成器。在振荡器的工作频点，功率合成器能弥补振荡器两输出通道相位差，使得功率合成效率提高，合成效率为98.3%。在二极管电压575 kV，磁场强度0.6 T条件下，内外RKO 的微波输出功率分别为2.2 GW和3.2 GW，频率差波动小于20 MHz，相位差稳定在10°附近；加载双通道功率合成器，仿真结果表明，微波输出功率为5.31 GW，功率效率32.2%。结果表明，嵌套器件在互锁状态时，振荡器饱和时间缩短，输出功率增大。

随着高功率微波源向高功率、高频率和长脉冲方向不断发展，同轴相对论速调管放大器（RKA）成为近年来研究热点之一，然而其发展一直受限于自激振荡等问题存在，为此，设计一种高Q值单间隙同轴谐振腔，以抑制同轴RKA中TEM模式泄露引起的自激振荡。通过对单间隙同轴谐振腔TM₀₁模式与TEM模式转化进行理论分析与仿真模拟，发现同轴谐振腔上下槽深差值与轴向错位值对其Q值变化影响很大，当上下槽深差值与轴向错位值分别为0.3 mm和0 mm时，同轴谐振腔的Q值为极大值（18 764），意味着此时谐振腔中两种模式转化最小，多组谐振腔级联后自激振荡风险大大降低。将三组级联的高Q值单间隙同轴谐振腔应用于紧凑型同轴RKA，粒子模拟和实验结果表明，器件的输出微波功率稳定，频谱纯净，无自激振荡等问题存在。

在微波测量领域, 功率计、示波器、检波器和矢量网络分析仪都是常用测量器件, 其使用过程中引入的误差对实验结果的准确性有直接的影响。在描述了功率计、示波器、检波器和矢量网络分析仪在微波功率测量领域的使用方法的基础上, 分析对比了一些典型型号的测量器件在不同测量条件下引入的测量误差。实验结果表明: 检波器测得的功率比示波器测得的功率最大大0.4 dB。示波器的不同带宽抑制对功率测量最大相差0.3 dB。N9917矢量网络分析仪比AV3672矢量网络分析仪在频率4 GHz, 衰减器衰减幅值为60 dB时测得的功率大1 dB。

基于P波段新型三周期慢波结构同轴相对论返波振荡器设计思想，设计了一个L波段同轴相对论返波振荡器。粒子模拟表明，在二极管电压591 kV、电流8.2 kA、导引磁场0.8 T时，获得了1.50 GW的微波输出，频率为1.64 GHz，效率达31%，器件慢波结构尺寸仅为96 mm×207 mm。分析了该器件实际高频结构的电动力学特性，重点研究了纵向谐振模式、品质因数等特点，并结合P波段的研究结果，得到了该类器件的相关设计指标：慢波结构长度约为一个波长，波纹周期约5/13波长，外波纹深度约1/10波长，内波纹深度约1/30波长，电子束半径约0.7倍外波纹平均半径，器件的纵向工作模式为0.8π模，对应的Q值约16。

提出了一种新型的中等能量P波段相对论返波振荡器，该器件将慢波结构由低波段普遍采用的同轴外波纹结构变为同轴双波纹结构，使得径向束-波作用空间扩大了2倍，一定程度上增加了器件的功率容量；另外同轴双波纹结构还较大提高了器件的时间增长率，从而有效地减小了微波输出饱和时间。经优化设计，该结构在二极管电压300 kV、电流3 kA、导引磁场1.0 T的情况下，获得267 MW的微波输出，效率达30%，频率为867 MHz。

设计了一种紧凑型P波段相对论返波振荡器, 其电动力学结构是由同轴慢波结构和同轴引出结构组成的。同轴慢波结构缩小了器件的径向尺寸；同轴引出结构缩短了器件的轴向长度, 且提高了束波作用效率。通过粒子模拟研究了器件内束波作用的物理过程, 模拟结果表明：器件具有结构紧凑、束波作用效率高的特点。在二极管电压700 kV, 电流7 kA, 导引磁场1.5 T时, 器件在频率833 MHz处获得较高的微波输出, 饱和后输出微波的平均功率达1.58 GW, 效率约为32%, 器件电磁结构尺寸仅为108 mm×856 mm。

利用电磁软件Superfish求解了同轴慢波结构中准TEM模对应的π模的电场矢量分布, 分析了内导体半径对谐振频率的影响。采用Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序设计了一个L波段相对论返波振荡器, 研究了内导体半径参数改变对器件工作频率的影响。通过使用半径为0.50, 0.75, 1.00 cm的内导体, 实验测得微波中心频率分别为1.64, 1.63, 1.61 GHz, 变化趋势与理论分析结果一致。实验测得频率比粒子模拟结果仅高0.01 GHz, 两者吻合较好。

设计了一个紧凑型L波段相对论返波振荡器 (RBWO),利用Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束-波作用的物理过程。模拟结果表明:在二极管电压700 kV、电子束流10 kA、导引磁场为10 T时,能实现L波段2.23 GW高功率微波输出,平均效率约为31.8%。为验证模拟结果,在高阻加速器平台上进行了初步实验:当二极管电压为703 kV、电流10.6 kA、导引磁场为0.8 T时,实验获得了峰值功率105 GW、频率1.61 GHz、脉宽38 ns的高功率微波输出,其功率效率为14.4%。