结合电子流体方程与 Maxwell方程组,对单脉冲高功率微波 (HPM)大气击穿过程进行仿真,采用时域有限差分方法 (FDTD)并结合 HPM自生等离子体的特征参数，仿真了不同压强和场强下单脉冲 HPM自生等离子体的参量变化，分析了 HPM频率为 6.4 GHz时，不同场强、压强下的大气击穿时间，并开展了大气击穿实验加以验证。理论分析与实验结果表明，实验与理论分析结果一致，压强与场强的变化对大气击穿时间均有显著影响，原因在于场强和压强对大气击穿种子电子浓度的变化起决定性作用，进而影响大气击穿时间。场强为 kV/cm量级时，大气击穿时间在 10 ns量级，在相同的场强下，随着压强的增大，击穿时间会先减小再增加。相同的大气压强条件下，场强越高，大气击穿时间越短。

综合考虑高功率微波对电子的加速过程以及电子与气体分子的碰撞过程，建立了单一气体与混合气体击穿过程的蒙特卡罗仿真模型，编写了三维蒙特卡罗仿真程序(3D-MCC)。针对单一气体Ar和N2以及混合气体N2/O2展开研究，仿真了气体雪崩击穿电子云形成过程，对比分析了不同气体电子能量分布函数随压强的变化规律。发现了Ar击穿特性受电子能量分布函数影响较大，而N2击穿特性受电子能量分布函数影响较小。通过分析平均电子能量以及电子密度随时间的变化过程，得到了Ar和N2击穿时间，并通过与流体模型计算得到的击穿时间比对分析验证了3D-MCC模型的正确性。在真空腔体内开展了S波段高功率微波大气击穿实验，测量得到了场强为6.38 kV/cm时不同压强下的大气击穿时间。通过在辐射源与真空腔体之间增加聚焦透镜，大大减小了壁效应的影响，并且采用模型仿真得到的大气击穿时间与实验结果吻合较好。