束半径可调的强流环形电子束在跨波段跳频高功率微波产生器件中有重要应用。提出了一种改变外加引导磁场位形从而改变环形强流电子束半径的技术。该技术的核心部件由环形阴极、阳极、电子束转移通道、电子束传输通道和三段螺线管组成。当三段螺线管的通流的电流大小不一样时，该螺线管系统就能产生不同位形的磁场。在粒子模拟中，当三段螺线管的通流电流大小分别为1025 A、107 A、107 A和300 A、300 A、0 A时，螺线管产生两种不同位形的磁场，实现电子束半径的改变。从单粒子运动理论出发，本文推导出电子束在梯度磁场引导下的运动轨迹表达式，解释了电子束半径在梯度磁场下变化的原理，还研究了梯度磁场的斜率和极差对电子束轨迹的影响。在跨波段器件仿真中，X波段输出功率为1.6 GW，频率为8.2 GHz，效率为40%；Ku波段输出功率为1.5 GW，频率为14.4 GHz，效率为38%。

在大型功率合成阵列中, 为解决现有种子源输出功率不足的问题, 提出了利用相对论返波振荡器作为种子源锁定大间隙速调管放大器频率和相位的思路, 并进行了由一个相对论返波管驱动一个高功率注入两腔大间隙速调管放大器的理论和初步实验研究。实验结果表明: 大间隙速调管的频率被相对论返波管锁定, 两个微波源的实时相位差在单脉冲内锁定在±16°之内, 多脉冲间的相对相位差锁定在±11°之内, 锁相时间约40 ns; 在注入功率约22 MW时, 大间隙速调管的输出功率约230 MW, 增益约10 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。

利用3维高频软件对大间隙速调管输出腔及其同轴提取波导金属支撑杆进行了高频分析，建立了带双排金属支撑杆的大间隙输出腔3维结构模型，采用3维PIC程序对该输出腔的提取效果进行了粒子模拟。研究结果表明：作为输出腔同轴提取波导支撑的第二排支撑杆，和兼作输出腔腔壁的第一排支撑杆，都会影响输出腔的高频谐振特性，因此必须结合大间隙输出腔进行一体化设计；此时同轴提取波导支撑杆设计的基本原则不以追求最高的TEM模式传输效率为目的，而是通过控制双排支撑杆的散射特性，得到合适的外部品质因数和间隙电场强度。在注入电功率约2.9 GW，束流调制深度90%时，设计的带双排支撑杆的3.6 GHz大间隙输出腔结构，可提取约1.06 GW的平均功率，效率约36.5%。

选取两种不同成分的石墨材料(普通石墨和掺铜石墨)分别设计制作了用于电子显微镜实验的阴极样品和用于重频长脉冲高功率微波产生实验的阴极, 并开展了初步实验研究。实验结果表明:掺铜石墨与普通石墨在微观结构方面存在明显不同, 且掺铜石墨阴极在发射性能、微波脉冲宽度和微波脉冲后沿离散性等方面可能优于普通石墨阴极, 但优势并不明显, 还待在以后的实验中进一步验证。

从物理机制上定性地分析了导致脉冲缩短的主要原因, 给出了长脉冲重复频率运行下的相对论返波振荡器(RBWO)设计原则。结合传统谐振式返波振荡器的基本设计理论, 设计和模拟优化了工作在S波段的长脉冲RBWO, 并利用本实验室现有长脉冲脉冲功率驱动源开展了S波段长脉冲RBWO的实验研究。实验结果表明: 在单次运行条件下, 微波输出功率达到约2 GW、脉宽约90 ns; 在10 Hz重复频率运行条件下, 输出微波功率达到约1 GW、脉宽约100 ns。器件产生的微波频率为3.6 GHz, 输出模式为TM01模, 效率约20%。对实验结果分析表明, 器件截止颈和第一个慢波结构结合处的爆炸发射是导致脉冲缩短的主要原因之一。

通过理论分析指出,单模相对论返波振荡器内的平均场强正比于其工作频率, 工作在高频段难以实现长脉冲运行。采用电磁场仿真方法, 比较了X波段单模和过模慢波结构的场分布特点, 结果表明:增加过模比能有效减小慢波结构表面的射频场强, 但由于场分布变化导致场强的减小与过模比的增加相比并不显著。利用过模比约为3的慢波结构设计了一种X波段长脉冲高功率微波源。实验中, 在单次运行条件下, 输出微波功率达到2 GW、脉宽80 ns; 在20 Hz重复频率运行条件下, 输出微波功率达到1.2 GW、脉宽100 ns。器件产生的微波频率为9.38 GHz, 主模为TM01, 效率约24%。微波窗口和慢波结构表面的射频击穿是目前实验中限制微波功率和脉宽增加的关键因素。

设计了一种C波段谐振式相对论返波振荡器, 分析了其结构特点和工作的物理机制。利用粒子模拟方法研究了器件的工作特性, 发现插入段长度和反射器半径的选取对该类器件的效率非常关键; 在二极管电压为0.5～1.0 MV范围内, 所设计的器件的效率为20％～25%, 频率保持在4.25 GHz附近。结合对器件实际高频结构的电动力学特性分析, 重点研究了纵向谐振模式、品质因数等特点, 结果表明该器件工作在2π/5模、品质因数约为100时功率效率最高。在此基础上, 解释了谐振式相对论返波振荡器具有适用的电子束范围宽、频率稳定等特点的原因, 并对该类器件的相关设计原则进行了分析验证。

利用脉宽调制技术, 设计了一台为高功率微波源提供导引磁场的脉宽调制型励磁电源, 它可在励磁线圈中产生一定持续时间的准稳态强磁场。励磁电源的储能部分采用容量15 F、最高充电电压800 V的储能密度较高的超级电容器, 最大储能为4.8 MJ, 内阻小于0.25 Ω。在储能电容充电645 V的情况下, 对电感约为60 mH、电阻约0.40 Ω的励磁线圈进行了励磁实验, 获得了持续时间为1.9 s、幅值为900 A准稳态电流, 电流波动幅度为5%, 对应线圈中的最大轴向磁场为2.2 T。实验结果与理论计算基本一致, 表明所研制的励磁电源达到了设计要求。

结合负载限制型磁绝缘线振荡器(MILO)和渐变型MILO的特点提出并设计了P波段混合型MILO的结构,主要以负载限制型MILO结构作为雏形,将其内部仅含有的1根提取叶片用3根长度渐变的慢波叶片组成的渐变段替换.该结构可更好地实现束波相互作用,并使提取间隙电场与MILO输出同轴结构处的电场达到更好的匹配,增加微波输出功率.器件纵向总长度为47 cm,外筒直径为44 cm.优化后的2.5维全电磁粒子模拟结果表明:在二极管工作电压550 keV、电流约57 kA的情况下,输出微波的中心频率为640 MHz,平均功率为4.27 GW,束波转换效率为13.6%,器件4 ns时起振,6 ns达到饱和,且微波输出功率十分稳定,最终输出微波模式为TEM模.