基于CompactRIO嵌入式技术，采用LabVIEW图形化编程开发平台设计了一种应用于高功率微波(HPM)源的控制系统，详细阐述了系统的结构设计和实现方法。控制系统利用不同模块完成过程控制、数据处理、数据采集等多种任务；采用串行通信和光纤传输等技术，实现监控和数据通信，提高系统的运行性能和可扩展性。实验过程中，基于CompactRIO的控制系统工作稳定，测控效果良好，为进一步开展HPM源技术验证试验奠定一定的技术基础。

针对磁绝缘线高功率微波振荡器(MILO)的静态保真空和重频运行，设计了一种真空度在线测量系统及其组件，优化了常规的测量方法，实现了真空度的实时监测和数据采集。基于30 GW高功率脉冲平台，以硬管化MILO微波源为负载，开展了加电运行条件下微波源内真空度的实时在线测量。实验结果表明：研制的真空在线测量组件具有较强的抗电磁干扰能力，能够准确获得高功率微波源运行过程中的本底真空度及脉冲放气特性。

对一种热阴极高功率返波管进行了理论研究，其具有寿命长稳定性好的特点。采用的热阴极发射电流密度为20 A/cm2，发射面积为100 cm2，发射总电流为2 kA。首先对该热阴极单阳极电子枪进行仿真研究，在确保不打火的情况下获得电子枪优化设计参数，再对整管进行粒子模拟研究，仿真结果表明,在工作频率为10.5 GHz时，该热阴极返波管的输出功率可以达到290 MW，换能效率为29%。

设计了一种矩形波导隔断插板式TM11-TE10模式转换器。其结构是在矩形波导横截面窄边的中部,平行于横截面宽边插入一块金属平板,将其等分为上下两个矩形波导,将TM11模式转换为分别位于上下两个矩形波导内相位相反的TE10模式。然后分别在上下两个矩形波导内,平行于窄边等间距地插入一组金属薄板。TE10模式微波经过轴向长度差为合适值的上下两组插板后,相移差变为180°,使原本相位相反的TE10模式转为同向,最后通过阻抗渐变合成单个波导的TE10模式。该模式转换器可与带状电子束高功率微波源共轴,其横向最大尺寸可与带状电子束高功率微波源矩形输出口保持一致,轴向长度较短,结构简单、紧凑。利用有限元算法仿真软件,对该设计方案进行了验证和初步优化设计。初步的设计结果表明：当相对带宽为10%时,TM11至TE10模式的转换效率大于-0.45 dB,可满足带状电子束高功率微波源对输出结构的设计要求。

通过理论分析指出,单模相对论返波振荡器内的平均场强正比于其工作频率, 工作在高频段难以实现长脉冲运行。采用电磁场仿真方法, 比较了X波段单模和过模慢波结构的场分布特点, 结果表明:增加过模比能有效减小慢波结构表面的射频场强, 但由于场分布变化导致场强的减小与过模比的增加相比并不显著。利用过模比约为3的慢波结构设计了一种X波段长脉冲高功率微波源。实验中, 在单次运行条件下, 输出微波功率达到2 GW、脉宽80 ns; 在20 Hz重复频率运行条件下, 输出微波功率达到1.2 GW、脉宽100 ns。器件产生的微波频率为9.38 GHz, 主模为TM01, 效率约24%。微波窗口和慢波结构表面的射频击穿是目前实验中限制微波功率和脉宽增加的关键因素。

基于对125 kV直线型脉冲变压器驱动源(LTD)模块的实验研究, 设计了脉冲形成线为Blumlein结构的150 kV LTD模块, 并在此基础上设计了输出电压600 kV、四级模块串联运行的LTD装置。根据理论计算的结果选择了LTD次级线圈的尺寸, 通过电路和3维模拟, 分析了不同输入方式对输出脉冲波形的影响, 结果表明: 左端输入方式输出脉冲波形好于右端输入方式; 与单边输入方式相比, 双边对称输入方式得到的载脉冲波形的前沿更好。根据600 kV LTD装置的设计参数进行了电路模拟, 在40 Ω匹配负载上得到的输出脉冲波形前沿(10%～90%)约30 ns、平顶约110 ns、后沿约30 ns、幅值约600 kV, 满足绝缘耐压要求。

利用脉宽调制技术, 设计了一台为高功率微波源提供导引磁场的脉宽调制型励磁电源, 它可在励磁线圈中产生一定持续时间的准稳态强磁场。励磁电源的储能部分采用容量15 F、最高充电电压800 V的储能密度较高的超级电容器, 最大储能为4.8 MJ, 内阻小于0.25 Ω。在储能电容充电645 V的情况下, 对电感约为60 mH、电阻约0.40 Ω的励磁线圈进行了励磁实验, 获得了持续时间为1.9 s、幅值为900 A准稳态电流, 电流波动幅度为5%, 对应线圈中的最大轴向磁场为2.2 T。实验结果与理论计算基本一致, 表明所研制的励磁电源达到了设计要求。

设计了一个用于为L波段同轴相对论返波振荡器提供导引磁场的双线绕制、分段磁场线圈系统。根据粒子模拟中对磁场的要求和实验室已有的条件来确定磁场的各参数,通过数学软件Mathcad和全电磁粒子模拟程序Karat对设计出的轴向磁场位形进行验证。采用基于Hall效应的Tesla计对加工好的磁场线圈产生轴向磁场空间分布进行了测量,同时利用电子束轰击尼龙靶来考察电子束被导引的效果。利用绕制好的磁场线圈开展了初步实验研究,在二极管电压655 kV,电子束流为10.4 kA,导引磁场0.7 T的条件下,输出微波峰值功率约为864 MW,微波波形半高宽为23 ns,功率转换效率约为12.7%,频率1.61 GHz。

基于微波电路理论和EBMA(extended boundary condition model analysis)电磁计算方法,先后设计了一个工作在9 GHz的4合1和8合1功率合成器.功率合成器可将多个侧壁矩形波导中相同输入的TE10模电磁波在中心圆波导中以TE01模式输出,实现功率的合成.利用EBMA方法和CST软件对所设计功率合成器的传输系数进行了计算,在中心频率9 GHz处,计算结果分别为1.00和0.99,从而验证了功率合成器具有良好的功率合成效果.对于8合1功率合成器,还根据模型简化的想法,使得功率合成器加载后,对输出腔间隙阻抗的计算成为可能.