为进一步改进和优化高功率径向线阵列天线的拓扑结构，提高功率容量水平，并满足馈源的真空密封需求，提出并设计了一种适用于高功率径向线阵列天线的微波输出窗。该高功率径向线输出窗采用圆环形陶瓷，材料介电常数为9.4，窗片厚度为3 mm，内径为36 mm，可实现径向线阵列天线馈电系统的输入同轴波导与输出同轴波导间的真空密封。设计结果表明：在中心频率为2.856 GHz下，该径向线输出窗驻波比为1.03，插入损耗为0.17 dB，设计功率容量约150 MW。

采用了人工线、开关和直线变压器结构一体化的设计方法,为重复运行的长脉冲直线变压器驱动源(LTD)装置研制了一种紧凑型低阻抗脉冲成形模块。为优化空间结构、减小分布参数、提高波形质量,脉冲单模块由两条20 Ω Blumlein 脉冲成形网络（PFN）并联储能,人工线采用相向L型布局,通过一个同轴开关同步放电,分两路向直线变压器初级线圈对称馈入快前沿的高压电脉冲。为了进一步减小线路电感,缩短脉冲前沿,研制了新型的嵌入式激光触发开关。与同轴开关相比,引线长度缩短了一半,脉冲前沿减小了10%。两级LTD模块实验装置在18.5 Ω负载上获得了电压240 kV、半宽180 ns的脉冲输出,重复频率可达25 Hz。

高功率微波大气击穿实验中，入射功率在大气击穿阈值附近，即使外界条件相同，大气击穿可能发生也可能不发生。针对这一问题，基于大气击穿机理，将大气击穿分为首个电子出现在击穿区域和高功率微波电场导致雪崩击穿两个过程。针对第一个过程，建立了改进的电子连续性方程，引入平均电子产生率分析大气击穿发生前电子出现的概率问题；针对第二个过程，建立了高功率微波大气雪崩击穿概率模型。综合两个过程，建立了高功率微波大气击穿概率模型，仿真了不同压强条件下大气击穿的概率，并与相关实验数据进行了比对，仿真结论与实验数据吻合较好。

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。

给出了相对论速调管放大器中归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程，基于MATLAB平台编程并采用递推法、中心差分法、梯形积分法等数值计算方法计算了归一化束电流和电子束动能随归一化距离的关系，以及反映电荷守恒的归一化因子。最后计算了调制电流的n次谐波的模式强度随归一化距离的变化。

在数值模拟的基础上，设计了一种用于高功率微波合成的X波段同频带双色板。微波斜45°入射时，该双色板在9 GHz到9.3 GHz内反射效率大于99%，在9.7 GHz到10 GHz内传输效率大于99%，可以用于实现两路高功率微波的同极化合成。利用电磁场全波分析软件，建立了双色板数值模型，分析了该双色板的场增强因子和功率容量问题。

介绍了几种天线增益的测试方法，并根据高功率微波(HPM)天线的特殊性，提出了一种窄脉冲激励下HPM天线增益测试方法。利用直接功率测量方法，将窄脉冲信号源作为发射信号源，通过标定不同脉冲宽度下接收天线的最大接收功率，开展实验研究，测得窄脉冲条件下天线的增益值。测试结果表明：在脉冲宽度大于25 ns的微波脉冲激励HPM天线时，天线增益测试结果与连续波条件下天线增益测试结果相同。

对强磁场相对论返波管系统中电子束收集极损伤的主要影响因素进行了分析,通过设计并使用锥面不锈钢收集极,提高了收集极的耐电子束轰击能力。在单次实验条件下,研究了电子束能量密度对不锈钢收集极表面损伤及系统产生微波的影响,结合对无箔二极管中电子束空间密度分布的研究结果,给出了不锈钢收集极损伤电子束能量密度阈值范围。

基于模式匹配技术的迭代综合方法优化设计了94 GHz的TE11-HE11模式转换器。采用商用电磁仿真软件对设计的模式变换器的性能进行了验证，两者结果基本一致。在88~102 GHz的频带范围内，模式输出纯度超过98%，其中最大模式纯度为99.1%。设计的基于半径微扰的光滑壁圆波导结构的模式变换器结构简单，易于加工，同时避免了波纹模式变换器波纹间隔易发生击穿的弊端。

理论分析了引导磁场对收集极材料中电子运动的约束作用,推导了引导磁场作用下二次电子的逃逸条件,利用蒙特卡罗方法计算了引导磁场作用下电子束在收集极中的能量沉积规律。研究结果表明：引导磁场对电子在材料内部的运动约束作用很弱,对二次电子有强约束作用；大部分二次电子经拉莫回旋再次轰击在收集极上被收集,逃逸的二次电子沿引导磁场方向进入束波作用区；增大电子的入射角度时,束流密度的降低和二次电子的再次入射降低了收集极中电子的最大沉积能量密度,提高了收集极的耐电子轰击能力。

设计了一种结合了“十”字和圆环的新型宽带W波段Flaps (Flat Parabolic Surface antenna) 天线单元。相比于传统的单层Flaps天线单元，新型单元能获得更宽的相位范围且相移精度更高,能有效拓展天线的带宽。利用这种单元设计了94 GHz的单层Flaps天线，仿真结果显示了较好的带宽性能和方向性，中心频率处增益18.2 dBi，在10.6%的带宽内增益下降小于1 dB，实现了较好的宽带性能，为单层W波段Flaps天线的设计提供了一种新途径。

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。

介绍了一种基于常规速调管功率合成和脉冲压缩的微波源系统，为实现多路高峰值功率速调管的功率合成，设计了一种紧凑型、近平面结构的微波功率合成器。在2.856 GHz频点处，合成器各端口反射损耗和相对端口隔离度均大于45 dB。当两路峰值功率为50 MW的微波功率合成时，合成器内的最大场强约为9.6 MV/m，合成效率大于99%。在四端口功率合成器的基础上，通过两级合成可实现一种八端口微波功率合成器，当四路峰值功率50 MW的微波功率合成时，合成器内最大场强约为13.5 MV/m。

针对AlGaAs/InGaAs型高电子迁移率晶体管，利用TCAD半导体仿真工具，从器件内部空间电荷密度、电场强度、电流密度和温度分布变化分析出发，研究了从栅极注入1 GHz微波信号时器件内部的损伤过程与机理。研究表明，器件的损伤过程发生在微波信号的正半周，负半周器件处于截止状态；器件内部损伤过程与机理在不同幅值的注入微波信号下是不同的。当注入微波信号幅值较低时，器件内部峰值温度出现在栅极下方靠源极侧栅极与InGaAs沟道间，由于升温时间占整个周期的比例太小，峰值温度很难达到GaAs的熔点；但器件内部雪崩击穿产生的栅极电流比小信号下栅极泄漏电流高4个量级，栅极条在如此大的电流下很容易烧毁熔断。当注入微波信号幅值较高时，在信号正半周的下降阶段，在栅极中间偏漏极下方发生二次击穿，栅极电流出现双峰现象，器件内部峰值温度转移到栅极中间偏漏极下方，峰值温度超过GaAs熔点。利用扫描电子显微镜对微波损伤的高电子迁移率晶体管器件进行表面形貌失效分析，仿真和实验结果符合较好。

基于PIN二极管电热自洽耦合模型，构建了两级PIN限幅器高功率微波(HPM)效应电路模型。根据模拟模型设计加工了两级限幅器实验样品，限幅器输入、输出特性注入实验数据与模拟计算结果基本一致，验证了多级限幅器模型的有效性，表明该多级PIN限幅器模型能够应用于HPM效应模拟。针对不同HPM波形参数进行了HPM效应模拟，计算结果表明：随着注入功率的增大，脉宽增宽，前级厚I层PIN二极管结温升比后级薄I层PIN二极管结温升要高，因此厚I层PIN二极管更易受到损伤；而频率和前沿参数对结温升影响较小。

根据开关电源工作原理，建立汇流排的外电路模型，并与汇流排模型进行场路耦合仿真，用有限元仿真的方法，得到汇流排在实际激励条件下的电流密度分布和欧姆损耗分布。分析汇流排工作时欧姆损耗集中的区域，在此基础上对汇流排的结构进行优化，从而达到减小汇流排的电流密度和欧姆损耗的目的。

针对具有电大尺寸、厚介质罩且馈源采用特定模式激励的高功率微波(HMP)传输及辐射结构研究了一种新型的电磁建模技术。将模式匹配方法与积分方程方法进行混合，构建了电磁模型的方程组，采用多层快速多极子技术、预条件器等进行求解加速，最终形成了可对电大尺寸HPM传输、辐射系统进行高效全波电磁仿真的技术。以电大变张角喇叭馈源、功率合成天线、波束波导及波束波导天线作为实例，构建了几何及电磁模型，并进行了包括远区方向图、近区功率密度分布在内的数值模拟，对该技术的正确性和通用性进行了验证。结果表明，该技术边界拟合准确,内存消耗低,且对馈电模式能予以准确反映，适用于HPM传输发射的高效高精度模拟。

基于电磁脉冲对半导体器件效应的电-热多物理场模型，利用Sentaurus-TCAD仿真器建立了PIN限幅器电磁脉冲效应数值模型，研究了不同峰值功率的电磁脉冲作用下限幅器的输入/输出特性,以及大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系。模拟与实验结果表明：基于器件热效应影响载流子输运过程的电-热多物理模场型，模拟限幅器在大功率电磁脉冲注入下输入/输出功率的结果与实验结果吻合较好；模拟大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系式，与Wunsch-Bell半经验关系式符合较好。

设计并分析了TE01斜接弯头结构，该结构由两段相同且垂直的模式变换段及与模式变换段呈45°斜接的金属镜面组成。整个结构等效于两个模式变换段对接，但中间存在间距为波导直径的缝隙。模式变换段将纯TE01模式转换为TE01和TE02的混合模式，该混合模式在缝隙中传播时电场呈现对称分布，从而降低了模式转换损耗，提高了传输效率。对设计的Ka波段TE01斜接弯头结构的理论仿真和加工实测结果表明：中心频点转换效率在98%以上，在2 GHz带宽内传输效率95%以上，插损小于0.2 dB，驻波小于1.2。

为实现机械相控阵列天线的波束扫描，采用步进电机驱动螺旋天线单元转动来达到预定的辐射相位。为了优化步进电机的开环控制,研究运行曲线对步进电机控制性能的影响，提高步进电机控制速度和精度。根据步进电机及控制系统的工作原理，建立了基于Simulink的步进电机开环控制系统仿真模型，并在此基础上对梯形和抛物线两种运行曲线进行了仿真研究。仿真结果表明，该仿真模型能精确实现两种运行曲线对步进电机的控制，在100 ms的控制周期内，采用梯形运行曲线步进电机的最大无失步转动角度能够达到270°，而采用抛物线运行曲线时其转动角度能够达到360°，抛物线运行曲线在开环控制系统中具有更高的控制速度。

采用Silvaco TCAD软件,对P+-P-N-N+SOS结构输出脉冲宽度的参数影响规律进行了一维数值模拟研究,包括N+区扩散深度、有效横截面积、外电路参数等。模拟结果表明：随着N+区扩散深度、有效横截面积的增加和外电路电阻的增大,输出脉冲的宽度减小。通过参数优化,获得了脉宽约为4 ns的输出脉冲。

针对高功率超宽谱短电磁脉冲（UWB-SP）电场标准装置的可溯源性和不确定度进行了研究,完成了UWB-SP电场标准的溯源和不确定度评定。分析了向脉冲参数标准、S参数标准、长度标准等参量标准溯源的可行性,实现了通过间接量的溯源得到标准装置的不间断溯源链。研究建立了标准装置的电场不确定度评估模型,针对脉冲源输出电压不确定度、脉冲传输不确定度、标准装置机械工艺及装配不确定度等不确定度分量进行了评定,并对各不确定度分量进行了合成,得到了标准电场的合成扩展不确定度为8.4%。

基于碳纳米管冷阴极实验测试结果，采用三维粒子模拟软件对大面积碳纳米管冷阴极的场致发射特性进行了仿真，研究了栅网结构不同尺寸对碳纳米管冷阴极场致发射特性及电子注通过率的影响，并在此基础上设计出面积压缩比为18，输出电流密度为14.9 A/cm2的带状注电子枪。为进一步研制碳纳米管冷阴极电子光学系统和相关微波、毫米波电真空辐射源器件提供了技术基础。

结合二端口网络理论和频域电磁场混合势积分方程的矩量法，对带有电缆线屏蔽体的电磁脉冲耦合效应进行了等效源模型建模。采用全波分析提取外部电磁脉冲干扰的等效源参数，利用场路结合的方法，以调制高斯脉冲为例，实现了屏蔽体内电路板上电磁耦合效应的分析。仿真结果表明：在0.1～7.5 GHz频带范围内，构建的电磁干扰等效源模型与商业软件仿真结果吻合得很好，可以为复杂电磁脉冲耦合效应的定量分析提供了一种有效便捷的研究方法，为电路工作安全防护提供理论参考。

V波段圆波导TE01模式激励器由矩形TE10模式到矩形TE20模式变换器和矩形TE20模式到圆波导TE01模式变换器组成。采用H面（磁面）转弯激励的方式实现矩形TE10模式到矩形TE20模式的变换；根据圆波导TE01模式的场分布特性，引入过模波导实现了矩形TE20到圆波导TE01的变换。计算结果表明设计的激励器转换效率在95%以上；模式纯度在98%以上的相对带宽可达4.2 GHz；其中在43.4 GHz处的最大转换效率为99.08%，纯度为99.20%。

大气击穿是高功率微波(HPM)大气传输研究最主要的内容。一方面高功率微波辐射天线近场以振荡场形式存在，在某些局部点形成场强的峰值分布，导致天线近场击穿、天线口径面介质击穿等一系列复杂的问题；另一方面，随着单台微波源功率的大幅提高和功率合成技术的发展，天线远场区的大气击穿问题越来越突出。如何判别是否存在大气击穿，如何确定判断的依据，都是需要解决的问题。论文提出依据击穿阈值和天线辐射场与高度关系曲线的变化规律进行判断。当HPM初始辐射场小于该区域大气击穿阈值，且上述两条曲线之间存在交点，即说明存在HPM辐射天线未击穿而传输路径近场区或远场区可能满足大气击穿条件的情况，这一现象也在相关实验中得到了证实。

采用在静止直角坐标系中构造虚拟正交电路的方法，推导了单相并联谐振变换器在直接正交(D-Q)旋转坐标系中的等效电路，求解了该等效电路的传递函数；通过仿真验证所推导的D-Q等效电路能够准确地代表原变换器电路。基于阻抗匹配的原则，通过D-Q等效电路的传递函数对单相并联谐振变换器的输出LC滤波器参数进行了优化，达到了输出脉冲电压上升沿时间小于50 μs、过冲小于5%、调节时间小于100 μs和纹波小于5%的预期指标，验证了采用该方法来优化并联谐振变换器输出LC滤波器参数的可行性。

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。

采用等离子体流体理论，从线性扰动方程出发，研究了电子束电流大小对介质切伦科夫脉塞中束波相互作用色散关系的影响，得到了当等离子体返回电流能有效中和与不能有效中和电子束电流两种情形下色散关系和波的增长率，并讨论了电子束电流对束波相互作用色散关系和波增长率的影响。研究表明，等离子体返回电流能有效中和与不能有效中和电子束电流两种情况下有着不同的色散关系和波的增长率。在波导参数和背景等离子体参数固定的情况下，电子束电流并不是越大越好，电子束电流过大不利于提高器件效率，它们之间存在最佳匹配关系。

通过模拟计算，分析螺旋线内径和螺距变化对色散和耦合阻抗的影响，优化慢波结构，初步设计了Ku波段螺旋线行波管慢波结构。模拟行波管输入输出结构，得到输入端反射系数小于-19 dB，电压驻波比小于1.24。电子聚焦系统采用周期永磁聚焦，磁场周期为8.5 mm，计算得到磁场峰值为0.17 T。为提高注波互作用效率，采用具有动态速度渐变特性的慢波结构，使得电子注与高频场有足够的互作用时间,从而保证电子不断地将能量交给高频场。运用三维PIC粒子模拟软件分析行波管的注波互作用，得到在12.5~16 GHz频率范围内输出功率大于88.7 W，电子效率大于14.8%，增益大于34.6 dB。

当传统高功率微波器件向高频段拓展时，器件尺寸的缩小将造成空间极限电流及功率容量的减小。基于此提出一种Ku波段同轴结构的渡越辐射振荡器。通过引入同轴结构，器件内部的空间极限电流及功率容量得到了有效提升。调制腔采用三谐振腔结构，与两腔结构相比，调制电子束的能力明显增强。采用高频场软件对调制腔和输出腔进行了冷腔分析。利用2.5维粒子模拟软件对Ku波段同轴渡越辐射振荡器进行了数值模拟，在导引磁场0.6 T、二极管电压392 kV、电流15.2 kA的条件下，在中心频率为14.184 GHz处获得1.2 GW的高功率微波输出，功率转换效率达20%。

理论推导了电磁波在半无限长直波导和均匀慢波结构交界面上的反射系数表达式，得到反射系数模值和相位随电磁波的纵向相移常数和慢波结构末端相位的变化关系。运用传输线理论以及反射系数的理论计算结果，得到了有限长慢波结构的纵向谐振条件，可以分析各种情况下有限长慢波结构的纵向谐振特性。计算了一种有限长慢波结构的纵向谐振频率，理论预测与数值仿真结果基本一致。对于一种非均匀慢波结构的数值计算结果表明，其纵向谐振模式对应的频率、场分布与相应的均匀慢波结构接近，因此仍可根据提出的纵向谐振条件对非均匀慢波结构进行分析。

利用粒子模拟(PIC)三维软件，在Ka波段，采用扩展互作用谐振腔技术和谐振腔加载技术来实现高增益和宽频带，对扩展互作用速调管进行了设计和粒子模拟仿真，同时采用二维电子光学软件EGUN对电子枪和聚焦系统进行了设计和优化，聚焦系统使用的是钐钴永磁聚焦。在工作电压9 kV，束流0.15 A的条件下，输入功率为200 mW时，中心频率35.5 GHz， 3 dB带宽为410 MHz，最小增益为32.5 dB，得到效率为26%，其平均功率为355 W。

扩展互作用器件，采用三个线圈和一个磁极实现均匀磁场分布。根据理论计算采用有限元法磁学（FEMM）仿真软件对所求磁场进行了建模分析，依据FEMM计算的磁场结合静电电子枪，采用CST仿真软件对高电流密度、高压缩比的电子注在均匀聚焦磁场的作用下传输进行优化。经过计算得出，在工作电压为17 kV、阴极发射电流密度小于10 A/cm2的条件下，由皮尔斯电子枪发射的电子注在均匀磁场的聚焦作用下传输良好，通过率为100%，得到了导流系数为0.175 μP的电子枪，在均匀磁场区形成了高电流密度、高压缩比的电子注，平均电流密度达到343.17 A/cm2，压缩比为32，电子注横纵速度比为7.2%。

针对高功率径向线阵列天线在无压差工况下的泄漏模型，采用“当量面积”法对密封结构等效处理，利用基于有限体积法的仿真软件对泄漏过程进行数值模拟，并通过气密性实验验证。研究表明数值模拟和实验趋势一致，证明数值模拟的正确性，且具有速度更快、更节约成本及能获得内部气体参数分布等特点。

提出一种高效率预调制型同轴虚阴极振荡器，进行了数值模拟研究。研究表明：径向束流预调制型同轴虚阴极振荡器利用在束-波互作用区加载金属圆环形成谐振腔，改变束-波互作用区的电场，对电子束进行调制。圆筒形金属形成的调制腔产生的电场既对电子束进行了调制，同时对微波频率进行了锁定，其谐振频率主要是由加载的金属圆筒的长度和两个圆筒之间的径向距离决定。经过优化设计，在600 kV，73 kA无外加引导磁场的条件下，预调制型同轴虚阴极振荡器获得了平均功率6 GW，频率为2.575 GHz的微波输出，效率达到13.94%。

给出了一种基于梯形慢波结构的相对论返波管结构,并采用2.5维全电磁PIC粒子模拟软件对其前端注入锁相进行了模拟研究。注入功率从二极管区注入相对论返波管中,注入功率50 kW,注入比-48.3dB时,返波管输出的相位抖动在±20°范围内,并拟合了返波管相位抖动与注入功率之间关系,给出了判断返波管相位抖动大小的经验公式。注入功率提高至120MW,注入比-14.5dB时,注入信号对相对论返波管输出的频率实现了牵引。

多注相对论速调管利用多注电子注并行工作，各电子注在传输过程中彼此独立，利于提高注波互作用效率，抑制杂模振荡。分析多注相对论速调管的小信号理论，从谐振腔内电场的场形函数出发确定了不同腔体结构的耦合系数的计算方法，得到了不同电子注形状、注数时的基波电流分量轴向变化过程，并进行模拟验证。结果表明： 同轴谐振腔的间隙耦合系数要大于圆柱腔的间隙耦合系数，采用同轴谐振腔更有利于注波互作用；电子群聚过程与每注电子注的势能密切相关，提高电子注数目有助于得到更大的基波电流分量。在电子注电压600 kV、电流5 kA、间隙电压30 kV的条件下，输入腔后的基波电流分量达800 A。

针对目前高功率微波系统仿真平台产生大规模复杂结构时变数据场，提出了新的数据存储与处理需求，而现有数据管理方法难以提供平台所需要的数据存取与分析能力。为此，通过研究科学数据表示、元数据管理、高效I/O、并行处理和快速选择等关键技术，集成应用成果并研制自主产权的科学数据管理软件，实现了高功率微波系统仿真实验数据的高效存储、组织与管理，对于方便平台子系统间的数据交换、提升数据存取效率及研究关键物理问题起到了很好的支撑作用。

介绍了大功率容量定向耦合器的设计、标定、测试与应用情况。以X波段圆波导定向耦合器为例，在9.2~10.2 GHz的频带范围内，基于小孔耦合理论优化设计的结构，其耦合度可以稳定在(55±2) dB以内，隔离度大于80 dB。在此基础上，设计加工了X波段圆波导定向耦合器并进行了标定测试，测试与仿真结果吻合较好，高功率微波实验证实了其具有较高功率容量，能够满足实验需求。该类圆波导定向耦合器已广泛应用于实验室高功率微波源的在线测量装置中。

以耦合波理论为基础，提出了基于最速下降原理的过模波导器件迭代设计方法，并提出了结构控制技术和多频设计技术来满足结构特性和频响特性需求。该方法能够对过模波导器件进行统一有效设计。设计了中心频率为35 GHz、半径为13.6 mm的TE01-TE11模式变换器，采用多频设计技术，相对带宽可达到13.6%，相比于单频设计方法，带宽增加了2.3倍。

研究了一种X波段16单元矩形径向线螺旋阵列天线。介绍了该矩形阵列天线的提出背景以及工作原理，分析了两种电磁耦合探针在X波段的耦合特性，开展了扼流结构与电磁耦合探针的协同设计，设计并数值模拟了中心频率为9.3 GHz的16单元矩形径向线螺旋阵列天线，并进行实验测试。测试结果表明：该口径为96 mm×96 mm的天线在中心频率9.3 GHz下，增益为19.51 dB，轴向轴比值1.05，驻波系数1.17。

在高增益相对论速调管放大器中,自激振荡严重影响器件的正常工作并导致脉冲缩短。通过粒子模拟研究了高次模式自激振荡的激励机制,并提出在器件内加入微波衰减材料来抑制该类自激振荡。详细研究了衰减材料的电导率和几何参数与高次模式衰减常数的关系,并开展了微波衰减体的冷测实验。冷测表明微波衰减体对高次模式的衰减达11.25 dB,其性能满足器件实验要求,可以用于高增益相对论速调管的热腔实验。

为解决正交场返波管太赫兹源慢波结构的设计问题，研究了开放式单排矩形梳齿慢波结构的色散及耦合阻抗特性并给出了设计思路及结果。利用单模近似法和数值计算得到了各几何参数对慢波结构性能的影响。结果表明：慢波周期长度可相对独立地优化耦合阻抗；设计慢波结构时可根据工作频率、加工工艺和电子枪性能确定其余三个几何参数，主要是对慢波周期长度进行调节。进一步的数值计算给出了梳齿间距在0.010~0.025 mm 范围内、工作频率在300~420 GHz 范围内的开放式矩形梳齿慢波结构的具体尺寸。利用粒子模拟软件对一个设计结果进行了仿真，得到的工作频率验证了冷腔分析的结果。

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%。

通过理论和数值模拟方法，考虑金属粗糙度的情况下，研究了加工垂直度公差角在0～6°范围内变化时折叠波导慢波结构的工作性能，结果表明：金属波导表面的粗糙度增大时，慢波结构中电磁信号的传输损耗增大；垂直度公差角的增大也使得电磁信号的传输损耗增加，而且垂直度公差角所引起的结构变化会引起器件的电压工作点漂移、带宽降低等。

介绍了一种基于感应叠加技术的重复频率脉冲源,分析了同轴屏蔽输出结构磁场的分布。实验时，充电电源工作电压为25 kV，脉冲输出重复频率为20 Hz，2个氢闸流管器件参数相差较大，栅极触发时钟存在约5 ns延时。实验结果表明：氢闸流管触发稳定可靠，输出的脉冲前沿及稳定性仍然不受影响，输出脉冲幅值约为50 kV，证明了感应叠加技术应用于气体开关的可行性。

针对采用注入法进行电磁脉冲效应实验对高性能小型化电磁脉冲源的需求，设计了一种基于雪崩三极管开关的MARX结构的紧凑型脉冲发生电路。分析了雪崩管开关和脉冲发生电路的工作原理，给出了触发电路与主电路设计方法以及元件参数选取方法，并设计了十级单极性和双极性的脉冲发生电路，能产生前沿为ns级、峰值上kV的快沿双指数脉冲，并具有较高的稳定度以及高重复频率。

通过宽频带电磁环境下计算机机箱关键部位感应电压统计分布的实验验证和基于随机矩阵理论的耦合模型的理论计算研究，给出了随机耦合模型(RCM)的应用流程和计算方法；就散射系数、归一化散射和归一化阻抗矩阵的统计特性进行了理论和实验研究，实验测量结果与理论分析结果非常一致；针对RCM的应用进行了初步分析，验证了随机耦合模型在复杂电磁环境下系统级效应分析和预测的适用性。结果证明此方法尤其适用于大型的具有非平行面封装腔体电子设备的电磁兼容、效应及评估等研究。

为了确定数值模拟过程中的误差来源，并针对误差来源改进软件，减小计算误差，对半导体器件数值模拟中的采用的漂移扩散模型进行了研究。结合自主开发的半导体器件效应软件GSRES，分析了软件中漂移扩散模型的理论近似，对计算模型中由于温度分布、载流子复合/产生率、载流子迁移率等项采取近似而导致的误差进行了分析。根据误差分析和数值模拟算例，认为误差主要来自于器件内部温度场分布和迁移率模型的近似，给出了软件的适用范围。结合半导体器件的研究热点和发展趋势，对该模型中需要进行改进的近似项进行了分析。

提出了一种快前沿充电型磁压缩发生器,采用高耦合系数脉冲变压器和无串接二极管型原边绕组设计,降低了变压器的杂散电感,可以对磁压缩电路进行快速脉冲式充电,有利于减少磁压缩装置的级数和体积。采用T模型对快前沿变压器充电型磁压缩器的电路进行了等效变换,分析了系统设计的原则。结果表明：系统的等效压缩增益远大于1；磁开关应选用高导磁材料。满足上述条件,磁压缩装置的充电效率和预脉冲现象才能获得理想值。研制了一台快前沿变压器充电型磁压缩脉冲发生器,3 nF电容负载上获得前沿时间为990 ns、幅值为50 kV的脉冲,预脉冲约2 kV,磁压缩器的电压效率为98%。

利用集中参数的电容和电感,设计了阻抗为20 Ω的Blumlein型脉冲形成网络。采用有限积分法,对两种不同连接结构的脉冲形成网络进行三维建模和仿真,模拟结果表明,设计的直线型连接结构的脉冲形成网络电压传递效率为98%,折叠型脉冲形成网络电压传递效率为90%。对两种不同连接结构的脉冲形成网络进行了高压实验,实验结果与理论模拟结果基本吻合。通过对两种不同连接结构脉冲形成网络耦合参数的计算,初步分析了导致能量传递效率不同的原因。

基于磁开关技术提出了一种高功率长脉冲驱动源方案,主要包括脉冲变压器、磁脉冲压缩、低阻抗脉冲形成网络、磁开关类型主开关,以及感应电压叠加器等关键子系统；研制了各关键子系统并开展了单独的实验调试,基于跑道型磁芯制作了闭环磁芯脉冲变压器,采用硬连接绕组方式制作了方便调节的两级磁压缩系统,利用陶瓷电容器制作了圆周对称的Blumlein型低阻抗脉冲形成网络,配合低阻抗脉冲形成网络研制了磁开关类型主开关,基于单端口馈电和角向传输线技术建立了四级IVA实验装置；在上述关键子系统调试基础上,开展了全系统的初步联合实验,验证了技术方案。

和传统Marx发生器单级由单一电容组成不同，脉冲形成网络Marx发生器的每一级是以陶瓷电容排列成网络形式组成脉冲形成网络，然后再通过串联叠加的方式实现电压叠加。由于采用了脉冲网络形成线，该型发生器可以产生质量较高的脉冲波形。对该型Marx发生器的充电方式、开关结构、结构布局等进行了研究，设计了两种较为紧凑的实验装置。开展的初步实验研究中，利用脉冲变压器进行充电，利用SF6气体绝缘，10级叠加结构在50 Ω水电阻负载上获得了400 kV，100 ns的高压输出；20级结构在50 Ω水电阻负载上获得了500 kV，70 ns的高压输出。

采用紧凑Tesla变压器型脉冲功率驱动源及球电极击穿试件，通过改变初级充电电压，开展了微秒级充电条件下碳酸丙烯酯及其与碳酸乙烯酯的混合液的击穿实验研究。由结果和分析可知：碳酸丙烯酯理论工作温度可低至-55 ℃，这意味着它可以成为一种低温下的良好液体电介质；碳酸丙烯酯耐压性能与去离子水相当，且实测电阻率达到了10 MΩ·cm以上；向碳酸丙烯酯中添加碳酸乙烯酯后，介电常数可提高至80以上，耐压强度也有所提升；将碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯混合液用于脉冲形成线作为储能介质无需附加去离子处理系统，有利于装置的紧凑化和小型化。

级间有耦合传输线的脉冲变压器除第一级传输线外所有传输线均绕制在同一磁芯上。利用电路等效法对该变压器进行了理论分析,结果表明：相比采用其他绕线结构的传输线变压器,该传输线变压器的顶降更低,而且仅需要一块磁芯。根据该设计方法,研制了一台四级传输线脉冲变压器,变压器的输入阻抗为4.2 Ω,输出阻抗为67.7 Ω。利用该变压器对脉冲形成网络(PFN)形成的脉冲进行电压变换,变压器匹配负载上输出电压脉冲脉宽为120 ns,前沿为20 ns。该脉冲幅值是PFN对4.2 Ω负载直接放电形成脉冲幅值的4倍,且两者波形基本一致。

气体火花开关在重复频率脉冲功率技术中具有广泛的应用,影响气体火花开关绝缘恢复与重复频率工作性能的因素众多。实验研究了气体火花开关的能量沉积和气压对开关重复频率指标的影响,给出了气体火花开关绝缘恢复时间与气压及开关导通功率的关系式,初步分析了气体开关击穿通道在自然散热（不吹气）条件下,重复频率稳定工作的最高功率与重复频率指标、气压的关系。

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。

通过T-CAD软件建立了PIN 二极管的电学模型和热学模型, 模拟了PIN 二极管的稳态与瞬态特性。研究了PIN 二极管器件在正反偏压和脉冲电压下的电学特性及热学特性, 讨论了PIN二极管的I层厚度与温度的关系, 模拟得到了不同I层厚度的稳态与瞬态响应曲线、得到了与器件内部温度的关系。模拟结果表明: 随着I层厚度的增加，器件内部最高温度增长减慢，器件内部最高温度区由结区位置向器件的中间位置移动。

在不同温度下对交联聚苯乙烯绝缘子进行了表面氟化处理，在脉宽0.5 μs的脉冲电压下对绝缘子的真空沿面闪络性能进行测试。结果表明：在50~60 ℃下对交联聚苯乙烯进行表面氟化能将绝缘子沿面闪络电压提高40%~60%。通过在绝缘子表面层规律地嵌入多个薄膜导电层，制备了新型结构的高梯度绝缘子，新型高梯度绝缘子沿面闪络电压较相同材料的普通绝缘子提高40%~50%，并保持了较好的力学及加工性能。

采用钛氰铁高温催化热解方法可制备发射性能优异的碳纳米管薄膜阴极。当脉冲电场峰值达到30 MV/m时，发射电流密度达kA/cm2以上，对应相对论电子束流强度高达15 kA，等离子体发射机制参与电子束发射过程。以重复频率10 Hz发射模式时，其发射阈值低，束压、束流波形跟随性好，发射稳定性优于石墨阴极。发射发次达到1000后，碳纳米管形态依然完整，界面无脱附。

C波段（5712 MHz）能量倍增器——SLED是我国研制的首台C波段能量倍增器。简述了利用三维电磁场仿真软件HFSS和CST对C波段能量倍增器的高品质因数储能腔、耦合孔、3 dB桥等进行优化设计的情况，对加工的能量倍增器做了射频低功率测试，实验测试和理论计算的一致性很好，测试结果表明所有技术参数指标均达到了设计要求。