为满足雷达整机对发射机小型化的需求，针对8～18 GHz宽带脉冲行波管设计了一种小型化高压电源。采用脉冲峰值功率设计方法，结合高压电容储能，实现了行波管在脉冲工作期间高压稳定输出。同时主功率逆变电路采用了移相全桥拓扑结构，高压整流电路采用了碳化硅二极管，这可减轻电源的散热压力，提高高压电源的功率密度。研制的小型化脉冲高压电源，阴极电压−6.5 kV，最大工作脉宽2 ms，峰值功率最大1600 W。与某型号脉冲行波管联调，在脉冲工作期间行波管输出射频信号功率稳定，测试结果验证了该设计方法的可行性。

为了实现Ka波段回旋行波管高纯度TE₀₁模式输入，通过在输出口添加滤波结构，对二级功分TE₀₁输入耦合器进行改进，改进后杂散模式传输效率由平均7%下降至2%。该结构主体为一个级联的两级Y型功分网络，能高效地实现矩形波导TE₁₀模式到圆波导TE₀₁模式的转换。在基于传输线理论对功分网络的传输性能理论分析的基础上，借助三维电磁仿真软件进行多次优化迭代，最终得到了一个在31 GHz附近模式转换效率大于99%的宽带TE₀₁输入耦合器, 该输入耦合器具有5 GHz的−0.1 dB插入损耗带宽，同时有效频带内的平均模式转换效率高达98.6%，模式纯度在99%以上并且回波损耗小于−15 dB。采用矢量网络分析仪对该器件进行了背靠背冷测实验，结果表明，其带内衰减约为0.5 dB，与仿真计算结果偏差较小，符合工程实际需求。

通过理论研究和粒子仿真（Particle in Cell，PIC），设计了一支工作在基波TE01模式下，采用周期性介质加载（PDL）波导的220 GHz回旋行波管（gyrotron traveling wave tube，Gyro-TWT）。通过研究寄生振荡的起振阈值和加载介质环，成功抑制了寄生振荡（绝对不稳定性振荡和返波振荡）。分别采用了非线性理论程序与粒子仿真对注波互作用进行研究，对比了两种结果基本一致。PIC仿真结果显示，优化后的回旋行波管，工作在220 GHz时，在输入70 kV和3 A电子注的情况下，饱和输出功率为55.61 kW，对应的效率为26.48%，饱和增益为53.56 dB，-3 dB带宽为12 GHz。

利用线性和非线性理论研究了电子注偏心对0.22 THz回旋行波管注波互作用的影响。基于色散方程研究了电子注偏心对线性增益、绝对不稳定性的起振电流和返波振荡的起振条件的影响。引入自洽非线性理论，分析了电子注偏心对输出功率和注波互作用效率的作用。同时，在考虑速度离散的情况下，研究了电子注质量对共焦波导注波互作用的影响。结果表明，电子注偏心会导致效率的降低。

多电子注集成实现微波放大是毫米波行波管获得大功率微波的一种实用化途径，研究了一种多注集成阵列梳齿型慢波结构（MCW）。该慢波结构具有天然的电子注通道，同时耦合阻抗明显高于单注的梳齿型慢波结构（DCW）。为了验证该特性，使用Ka波段三注集成阵列梳齿型互作用回路进行了仿真和实验研究。互作用电路的材料选取高电导率无氧铜，通过CNC铣削的工艺进行加工。冷测实验发现仿真和测试的结果具有很好的一致性，且在32~39 GHz的带宽内，S₁₁小于-15 dB。在仿真软件CST PIC工作室中，50个周期的慢波结构与三个电子注（每个电子注的电压为12.9kV，电流为67mA）进行注波互作用模拟仿真。仿真表明，MCW在32~36 GHz的带宽内比DCW具有更高的输出功率，增益和电子效率。该器件的最大输出功率约为132.8 W，相应的电子效率为5.12％，增益为41.2 dB，大于DCW的1.2%和25 dB。MCW行波管的高功率和高效率特性，使其在基于点对多点传输的毫米波无线系统中具有潜在的应用价值。

研究了双共焦波导回旋行波管高频结构的电磁特性。根据惠根斯原理的光衍射理论，分析得出双共焦波导中的两类本征模式（叠加模和环形模）对应的截止频率和场分布情况。理论分析结果与商用仿真软件CST的仿真结果一致。其中用作回旋行波管工作模式的“反相叠加TE₀₆模”的损耗明显小于其他模式，这种不同模式损耗不同的特性将有效抑制竞争模式带来的寄生振荡。双共焦波导的模式密度略大于传统单共焦波导的模式密度，但是明显小于圆波导的模式密度，因此双共焦波导适合用作回旋行波管的高频结构。

空间高分辨率合成孔径雷达（SAR）系统对大功率脉冲行波管放大器的带宽、输出脉冲能力、幅相一致性提出了更高的要求，基于宽带功率合成的kW级脉冲行波管放大器技术是空间应用的关键技术问题。研究了大功率脉冲行波管放大器宽带高幅相一致性控制技术和宽带功率合成技术，提出了空间用小型化脉冲双路合成行波管放大器集成结构，在3 GHz宽带内，实现了大于95%的合成效率，多台产品相位一致性≤±10°。

输入耦合器是回旋行波管的重要组成部分之一，其作用是将矩形波导TE₁₀模式的信号，通过模式变换结构转换为回旋放大器件中的模式，输入耦合器性能的优劣直接影响了回旋管整管的带宽等性能。通过对W波段TE₀₂模式回旋行波管的输入耦合器进行理论分析，指出影响主模传输损耗的一个因素是杂模的崛起使主模的传输系数降低，利用仿真软件进行仿真，通过优化耦合孔的尺寸，抑制杂模的产生，将损耗从3.9 dB降低到了0.8 dB。根据优化尺寸加工，实际测试，得到3.0 dB带宽7.9 GHz的输入耦合器，与设计符合较好。