针对过模系数为2.3的高功率毫米波发生器设计了工作于高次模的谐振腔反射器。谐振腔反射器工作模式为TM035模式，在58~62 GHz频带内对TM01模式的反射系数大于0.9。运用2.5维全电磁粒子程序模拟分析了器件中束波相互作用过程，通过调整慢波结构与谐振腔反射器间的漂移段长度得到了器件在570 kV，6.0 kA电子注量驱动下，在引导磁场为4 T时，能辐射出功率1.06 GW、频率为60.2 GHz的毫米波，主要工作模式为TM01模，效率约为31%，起振时间为3.3 ns。

利用场匹配理论，建立了具有突变结构谐振腔的级联散射矩阵.通过数值计算，完成了Ka波段TE01模回旋速调管的输入腔、群聚腔、输出腔的设计与制作.同时给出了一支Ka波段TE01模四腔基波回旋速调管高频系统和整管的优化设计方案.PIC模拟表明：在中心频率34 GHz、注电压70 kV、注电流11 A的情况下，获得了输出功率390 kW，饱和增益42.9 dB，电子效率50.6%，3 dB输出带宽360 MHz的结果. 通过样管的热测实验显示在34 GHz，注电压70 kV，注电流11 A，获得了301 kW的稳定输出脉冲峰值功率，41.8 dB的增益，39.1%的效率，285 MHz的3 dB输出带宽.

首先利用场匹配理论和传输级联矩阵建立多层介质窗的普遍分析方法, 对回旋行波管输出窗进行解析分析, 在理论分析和数值计算的基础上得到回旋行波管宽带输出窗的结构和尺寸; 然后利用三维高频分析软件HFSS进行仿真和验证.通过热分析和优化设计, 在Ka波段获得了平均功率容量达到50 kW, 反射系数小于-20 dB的带宽约为3.6 GHz的高性能新型宽带输出窗.冷测实验表明, 冷测结果与数值计算结果较为吻合.

高功率密度35 GHz毫米波对活体鼠体表的辐照温升的实验结果表明: 实验鼠的辐照侧的活体皮肤血液灌注率达到较高的水平; 剃毛实验鼠的皮肤表面温升曲线和有毛实验鼠皮肤表面温升曲线类似, 但在相同的时刻, 前者温升要高于后者。将实验温升曲线和Pennes方程计算结果做了对比, 发现: 考虑血流灌注的Pennes方程与前16 s左右的剃毛实验鼠实验温升曲线吻合; 在16 s之后, 无血流灌注的热传导方程计算结果更加靠近剃毛实验鼠实验温升曲线, 实验曲线略高于含有较大血流灌注率的理论计算曲线。上述实验现象和理论计算结果差异的可能原因也做了一些简单分析。

采用角锥喇叭天线, 使用不同输出平均功率的毫米波激光辐照秀丽线虫, 采用实时显微摄像系统记录线虫行为学变化, 并使用体视显微镜观察线虫细胞形态学变化。受照射后自由活动的秀丽线虫能够快速逃离高功率毫米波的辐照区域。当受输出平均功率为10 W和12 W辐照后, 线虫先后出现运动速度增加、运动速度减慢直至身体僵直不动的变化过程。当输出平均功率为5 W时, 线虫出现热耐受现象。细胞形态学观察结果显示:辐照后的线虫腹中卵细胞核结构出现不同程度的异常。高功率毫米波辐照可显著影响线虫的行为学特征及细胞形态学, 同时说明秀丽线虫是可适用于高功率毫米波生物效应研究的模式生物之一。

带状电子注真空器件是一种很有潜力的高功率微波毫米波器件,其中带状电子注的稳定传输和聚焦是该器件的关键。针对带状电子注的聚焦和传输, 提出采用周期椭圆螺线管结构来稳定传输高椭圆率的带状电子注。通过理论分析, 得到椭圆螺线管的磁场分布情况, 研究了该磁场下带状电子注的运动情况, 并且推导出带状电子注在周期椭圆螺线管结构中稳定传输的条件。最后, 采用粒子模拟验证了该稳定传输条件。

对70 GHz二次谐波倍频回旋速调管高频结构和电子与波互作用进行了研究.研究了TE02模腔体绕射品质因数及模式转化,解决了二次谐波倍频回旋速调管漂移段不能截止70 GHz的TE01模而引起的腔体间高频串扰的问题.分析了注电流、输入功率、电子横纵速度比和电子注引导中心半径等参数对输出功率、增益和效率的影响.针对二次谐波回旋速调管放大器工作频带窄、效率低,进行了高频结构优化设计,显著地展宽了工作频带,提高了互作用效率.在理论分析和高频计算的基础上,建立了注波互作用PIC(粒子模拟)模型,进行了粒子模拟计算和优化,得到了70 GHz 的二次谐波倍频四腔回旋速调管放大器设计方案.粒子模拟结果表明:在工作电压70 kV,注电流13 A,电子注横向速度与纵向速度比为1.5时,中心频率69.81 GHz输出功率256 kW,带宽160 MHz,电子效率28%,饱和增益大于44 dB.

给出了自洽非线性大信号理论分析方法,在理论分析和高频计算的基础上,建立了回旋速调管放大器注-波互作用计算模型,对其进行数值计算.研究多种参量对放大器输出功率、增益、效率等的影响,通过优化得到了中心频率34 GHz的四腔回旋速调管放大器设计方案.粒子模拟表明:在工作电压65 kV,注电流8 A,电子注横向与纵向速度比为1.5时,输出功率230 kW,带宽230 MHz,电子效率45%,饱和增益33 dB.

输入谐振腔将波导输入的高频信号转化为内腔中工作模式的驻波场,以实现对回旋电子注角向速度的调制.对输入谐振腔的同轴谐振腔和两端开孔的圆柱谐振腔分别进行了解析分析,数值计算中引入修正来反应耦合狭缝的影响,几min就能完成一种结构尺寸的计算分析.通过优化得到输入谐振腔的初步结构和尺寸,然后利用三维高频分析软件HFSS进行精确的模拟和修正,提高模式转化效率和纯度,获得了高性能的输入谐振腔.