针对当前高功率微波(HPM)中的热点器件磁绝缘线振荡器(MILO) 频率低、效率低等问题, 提出了一种可以沿x方向平面展开的平面MILO。该器件也是一种低阻抗高功率微波器件, 通过一个低外加磁场来代替常规MILO中的磁绝缘电流, 辅助实现器件的磁绝缘, 从而实现器件效率的提高。结合PIC模拟, 建立一个外加低磁场的C波段平面MILO, 并根据其慢波结构(平面折绉表面)特点给出相应的色散曲线, 确定微波器件工作点, 利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟, 在输入为4.0 GW电功率(工作电压约800 kV)的条件下, 模拟得到频率为6.56 GHz的微波输出, 通过优化外加磁场, 使得模拟微波输出功率达到1.22 GW, 功率效率在C波段条件下超过30%。

阴极释气电离产生的击穿现象是限制磁绝缘线振荡器(MILO)工作性能的一个可能因素，也是限制其重频运行的主要障碍。利用三维全电磁粒子模拟程序对高功率微波器件MILO中阴极释气电离现象的物理建模技术以及实现三维自洽运算所需的粒子模拟技术进行了分析研究。对不同相对释气率的情况进行了模拟计算，模拟计算结果表明，当释气率超过一定阈值时，电离导致的等离子体会使微波输出功率迅速下降。

为追求更高的输出功率和效率，在理论分析的基础上，采用理论和PIC数值模拟相结合的方法设计了较高工作点电压(700 kV)的磁绝缘线振荡器模型，数值模拟结果表明：当输入电压为695 kV、输入功率为55.7 GW时，输出周期平均功率为11.2 GW，效率为20.1%；与以往低工作点的磁绝缘线振荡器相比,效率较高，且和低工作点的器件只在最佳工作点处取得最大效率不同，本器件随着电压升高，效率进一步提高。

采用数值模拟与实验相结合的方法, 在没有功率容量不足问题的情况下, 研究了磁绝缘线振荡器(MILO)的输出微波脉宽和功率效率与类似三角形二极管电压的关系, 研究结果表明: 在相同宽度的电压条件下, 随着电压幅度的增大, 输出微波的底宽和半高宽相应增大, 功率效率先增大, 当达到饱和后功率效率逐渐降低; 在相同电压幅度条件下, 随着二极管电压上升沿(斜率不变)的增大, 输出微波的半高宽略有增大, 但功率效率略有降低。因此, 在有限脉宽的类似三角形二极管电压条件下, 通过增大二极管电压上升沿的方法, 可以有效地增大输出微波脉宽; 而在有限电压幅度条件下, 通过减小电压上升沿的方法, 可以有效地增大输出微波的功率。选择适当的二极管电压参数, 可以解决MILO器件在类似三角形二极管电压条件下的输出微波功率和脉宽两个指标相匹配的问题。

为克服全电磁粒子模拟(PIC)程序不利于优化设计的弱点,提高高功率微波器件的优化设计水平,将遗传算法与全电磁粒子模拟算法有机融合,研制出二维全电磁粒子模拟并行优化程序。据此对高功率微波源器件--两个波段的磁绝缘线振荡器(MILO): C-MILO和L-MILO进行优化设计。在输入功率不变的条件下,原C-MILO效率为10.8%,经优化后效率为15.4%; 原L-MILO效率为12.6%,经优化后效率为17.7%。由此得出,两类MILO模型经优化后在输入功率基本不变的情况下输出功率和效率都有很大程度的提高,且模型几何参数合理,物理图像正确。

研制了一套紧凑型脉冲功率源系统, 用于驱动低阻抗磁绝缘线振荡器（MILO）。脉冲功率源采用Marx发生器技术路线, 由10级电容和开关组成, 单级电容为100 nF/100 kV电容, 开关采用环形轨道气体火花间隙开关, 通过紧凑型结构设计, 降低系统回路电感, 采用电阻作为级间放电的隔离元件, 整个Marx发生器系统放置于变压器绝缘油中, 以实现高压绝缘。Marx发生器系统充电电压为±50 kV, 总储能5 kJ, 在12 Ω的水负载上可以获得600 kV, 50 kA的脉冲输出, 脉冲上升时间小于100 ns。系统尺寸为1.2 m×0.5 m×0.6 m。基于该低阻抗脉冲功率系统, 直接驱动低阻抗磁绝缘线振荡器。在二极管电压约450 kV, 电流约40 kA 条件下, 测得辐射微波功率约400 MW, 微波脉宽约 60 ns, 微波频率1.23 GHz, 辐射微波模式为TM01模。

理论分析了高阶模抑制型磁绝缘线振荡器（MILO）慢波结构, 推导了其各分区电磁场分布。通过对场分布的进一步分析可以发现, 角向开槽使得原始MILO结构中的两个简并的HEM11模式去简并, 分裂成为极化方向与开槽方向垂直或平行的两个模式; 通过改变慢波结构叶片间开槽角向位置相对关系, 可以破坏高阶模式之间π模谐振关系, 从而抑制高阶模式的起振, 使器件稳定工作在基模。

针对气体碰撞电离过程，介绍了蒙特卡罗碰撞（MMC）的处理方法，利用MMC方法编写了气体碰撞电离模块，将其移植到3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE之中，模拟了充有He气的磁绝缘线振荡器（MILO）。模拟结果表明：当He气密度较低时，电离的正离子由于较重无法自由移动，形成了正离子通道，可以有效中和电子束空间电荷场，有利于电子束传输和群聚，提高了束波互作用效率，微波输出功率得到了明显提高，起振时间也有所缩短；当进一步增加He气密度时，电离碰撞增强，电子和离子数目会雪崩式增长，电子束由于碰撞增强而导致能散度增大，其负效应已经远大于中和空间电荷场的正效应，反而不利于电子束的群聚和共振，从而导致输出微波功率降低乃至截断，起振时间缩短是由于其在非雪崩阶段的正效应积累所致，但是随着负效应的增强起振功率不能得以维持，二极管最终将闭合。另外，还模拟了MILO填充空气、水蒸气及二氧化碳等多原子、多组分气体的碰撞电离物理过程。模拟结果显示，同压强情况下，填充空气、水蒸气及二氧化碳的脉冲缩短现象要比填充He气等较低原子序数气体的情况严重得多。

根据现有的慢波结构色散特性的理论分析，提出了一种Ku波段的磁绝缘线振荡器(MILO)。与常见MILO的慢波结构不同，该MILO的慢波结构通过增大扼流腔的外半径来实现扼流作用，以防止阴阳极击穿。利用3维电磁场模拟软件对Ku波段MILO的开放腔模型进行了分析，得到其谐振频率为13.536 GHz以及有载品质因数为43。同时利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟，进一步优化了MILO结构，研究了输出微波的功率效率与输入电压的关系，得到的最优工作电压为600 kV。在外加电压600 kV、束流47.4 kA的情况下，模拟得到的平均功率为3.69 GW，中心频率为13.62 GHz，功率转换效率为12.6%。

为了便于模式变换器的设计，达到双频微波都能集中辐射的目的，提出一种轴向分区的双频磁绝缘线振荡器，该器件束波互作用区为中间隔开、两端不同周期、不同深度的慢波结构，使电子在上下游与不同频率特性的慢波结构进行束波互作用，得到稳定的双频微波输出。使用2.5维全电磁粒子模拟软件进行数值模拟，在工作电压450 kV，电流40 kA条件下输出微波功率为1.4 GW，功率效率约为7%,输出的微波频率分别为1.25 GHz和1.65 GHz，两者频谱幅度相差约为1.5 dB，模式为TEM模。