波导间缝隙的互耦会严重降低高功率微波宽边纵缝波导缝隙阵的宽角扫描能力。设计了一L波段高功率宽边纵缝波导缝隙阵，在阵列波导间设计扼流槽结构抑制缝隙互耦。数值模拟结果表明，没有扼流槽结构的阵列波束扫描增益下降3 dB的角度为24.7°，具有扼流结构的阵列扫描增益下降3 dB的角度为33°。同时扼流结构还可以明显改善阵列的有源反射系数，有扼流结构的阵列有源VSWR≤3的带宽为6.6%，而没有扼流结构的阵列有源VSWR≤3的带宽为5.0%。数值模拟结果还表明，波束扫描时(扫描角35°)，阵列功率容量可达到957 MW,比阵列无波束扫描时(1.008 GW)稍低一点。

为深入研究高功率微波(HPM)作用下介质窗沿面击穿破坏的物理机制，探索提高闪络场强阈值的方法和途径，开展了介质窗表面矩形刻槽抑制电子倍增的理论与试验研究。首先根据动力学方程建立了介质窗表面电子倍增模型并分析了介质窗槽内电子运动轨迹，考虑了矩形槽结构对表面微波电场的影响，理论分析表明在闪络击穿的起始和发展阶段矩形槽可有效抑制电子倍增。在S波段(2.86 GHz，脉宽1 μs)下开展了介质窗表面矩形刻槽的击穿破坏试验，试验结果发现表面矩形刻槽可大幅度提高微波传输功率，在槽深(1.0 mm)一定时不同的刻槽宽度(0.5 mm和1.0 mm)对应的微波功率抑制范围不同。采用PIC-MC仿真模拟槽内倍增电子的时空演化，仿真结果很好地验证了试验现象。

基于第一性原理的粒子模拟方法，对高功率微波器件中介质窗表面电子实际形成和发展的变化情况进行了研究。使用VORPAL粒子模拟软件，建立一个简单的TEM波垂直入射介质窗表面的二维模型，采用Vaughan二次电子发射模型，利用蒙特卡罗碰撞方法处理电子与背景气体之间的弹性碰撞、激发碰撞和电离碰撞，获得了介质窗表面电子倍增的图像。模拟结果表明，介质窗表面电子数量在一定的时间内达到饱和状态，其振荡频率是入射射频电场频率的两倍。改变初始发射种子电子的数量、入射射频电场的幅值以及背景气体的压强等关键性参数，可得到不同条件下介质窗表面电子数量的变化规律。

综述了国内外真空中高功率微波(HPM)下介质窗表面击穿问题的研究现状和进展。在介质窗表面击穿实验研究方面, 介绍了国外最具代表性的研究成果, 给出了介质窗材料表面及内部的破坏发展规律, 并提出相应的理论模型。在理论仿真方面, 重点介绍了国外在运用蒙特卡罗(Monte Carlo)程序和PIC模型对认识HPM下介质窗表面倍增放电机理上做出的突出贡献, 给出了HPM下介质窗表面电子在不同影响因素下的运行状态, 并提出了一个理论模型, 从本质上解释了倍增电子数目和表面静电场以微波频率的2倍振荡的原因。介绍了目前几种可有效抑制介质窗表面微波击穿的技术手段。

建立了真空中高功率微波作用下介质窗表面电子运动2维仿真模型,充分考虑了微波电磁场及介质表面静电场等影响因素。通过对不同电子出射初始角度和微波场参数(电场幅值、频率及电子出射时电场相位)对电子运动状态影响的仿真分析,得到了二次电子倍增过程中电子在复合场下的运动轨迹、电子重新返回介质表面的撞击能量及返回时间等状态参数,获得了电子运动状态参数随电子出射角度和微波场参数的变化规律。研究发现:电子出射角度对其运动状态有显著影响,电子存在运动轨迹最大的某一出射角度,该角度下电子拥有最大的撞击能量;微波电场幅值的增加将使电子撞击能量增加,返回时间减小,微波电场相位的变化使电子的撞击能量和返回时间呈周期振荡,这从本质上解释了电子数量在二次电子倍增过程中以微波频率两倍周期振荡的原因;随着微波频率的增加电子将由简单的类抛物线运动转变为复杂的振荡运动。

在X波段微波源(频率9.4 GHz,功率1 GW)下,对4种典型介质窗材料(聚四氟乙烯、有机玻璃、低密度聚乙烯及高密度聚乙烯)在真空中进行了微波放电击穿实验,同时考虑了材料的不同表面处理工艺(表面刻槽和抛光)对其击穿特性的影响,对微波击穿后样品的表面形貌进行了宏观和微观分析,实验观测到:介质表面出现了沿微波电场方向的明显树枝状破坏现象,且材料表面处理工艺对其击穿破坏程度有显著影响,认为树枝状破坏通道与施加的微波场有着密切的关系。通过观察透明有机玻璃内部的树枝状破坏,发现树枝既沿介质表面生长,同时也向介质内部发展。提出了微波作用下介质窗击穿破坏的物理模型,认为微波电场导致树枝状破坏沿电场方向发展,而微波磁场导致树枝状向介质内部发展,并进一步给出了树枝状破坏起始和发展的可能原因。