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%。

为了满足高功率微波系统对微波输出窗高功率容量和紧凑化的应用需求，以传统盒型窗的设计理论为基础，通过优化窗体结构和添加过渡段等手段，设计了一种C波段小型化高功率微波输出窗。通过增大窗体表面积、改变矩形波导-圆波导过渡段的连接方式可提高功率容量并缩小微波输出窗的纵向尺寸；采用“I”型的窗体结构可有效抑制三相点（真空-介质-金属）附近的次级电子倍增效应对输出窗性能的影响。在电磁仿真的基础上采用粒子模拟（Particle-in-Cell）的方法研究了微波输出窗三相点附近的次级电子倍增效应，从微观角度进一步证实了“I”型窗体结构可使三相点位置发生移动，减小三相点发射的电子在窗片表面产生次级电子倍增效应的概率，降低微波输出窗的击穿风险。设计结果表明，微波输出窗在中心频点处的主模反射系数低于0.01，传输效率高于99.9%，功率容量可达47.9 MW。

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。