以实验室自主研发的2维半导体器件-电路联合仿真程序用于分析高功率微波注入下半导体器件的毁伤机理，以此2维半导体器件-电路联合仿真程序为基础加以扩展，添加了电磁波辐照射下微带线的SPICE电路模型。扩展后的程序可以同时用于分析平面波入射下含半导体器件的PCB电路的高功率微波辐照效应和置于带孔缝屏蔽腔中的PCB电路的高功率微波辐照效应。应用此仿真程序分析了一个含有低噪声放大器的简单PCB电路，得到了该PCB电路在不同形式平面波入射下低噪声放大器的烧毁阈值，在该PCB电路置于屏蔽腔中时，低噪声放大器输入端口出现耦合干扰电压情况。

利用先进设计系统软件设计并制作了单端混频器电路。开展了高功率微波注入效应实验，获得了一组损伤程度不同的混频器。通过测试二极管的伏-安特性曲线和分析失效机理，用拟合方法建立了损伤二极管的等效电路模型。基于此模型建立了损伤混频器等效电路，并对其被高功率微波损伤前后的输入输出特性进行了仿真计算，其变频损耗与混频器损伤后的实验测试结果相吻合。结果表明：损伤二极管的等效电路模型为在正常二极管结电阻两端并联一损伤等效电阻，其阻值大小反应了混频器的损伤程度，阻值越小，损伤越严重。

研究了9.33 GHz高功率脉冲微波对IAR20鼠肝细胞和L-02人肝细胞增殖的影响，利用噻唑蓝比色法测量细胞增殖并对实验数据进行拟合，得到脉冲个数、场强和脉宽与细胞增殖之间的关系。当脉冲微波场强与脉宽保持不变，脉冲微波细胞效应随脉冲个数呈现非线性的指数递增规律。当脉冲微波的脉冲个数、脉宽一定时，场强越大，细胞增殖被抑制的程度越大；当脉冲个数、场强不变，脉宽越大，细胞增殖受到抑制的作用越明显，即脉冲微波细胞效应与场强和脉宽成正比。相同脉冲微波参量对不同种类细胞增殖的影响是不同的，对IAR20鼠肝细胞的影响比对L-02人肝细胞的影响略大。

采用理论分析和微波注入实验相结合的方法，分别研究了以74HC04和74LVCU04A两种芯片为核心的反相器基本缓冲及数模转换电路的微波效应问题，通过反相器闩锁过程对非线性扰乱进行了机理分析，并利用微波注入实验详细分析了非线性扰乱效应的微波有效功率阈值及其随频率、脉冲宽度的变化。实验结果表明：在固定环境温度条件下，有效注入功率大于33 dBm，频率在3 GHz以下的微波均可使74HC04效应电路的非线性扰乱强度达到10%以上；有效注入功率大于30 dBm，频率在3 GHz以下的微波均可使74LVCU04A效应电路的非线性扰乱强度达到10%以上。相同非线性扰乱强度的注入有效功率阈值近似随频率的提高而增大。非线性扰乱阈值随注入微波信号脉宽变化明显，拐点为40~70 ns不等，与反相器中的互补型金属氧化物半导体器件寄生三级管的导通电流积累有关。

采用功率密度分别为0.625 mW/cm2和1.25 mW/cm2的电磁波辐照雄性Babl/c小鼠60 min，辐照结束后1 h,1 d,3 d,7 d,15 d,30 d分别取小鼠尾静脉血进行血常规检测。结果表明：功率密度为0.625 mW/cm2和1.25 mW/cm2的电磁辐射导致小鼠的中性粒细胞总数及百分数的增高，辐照后3 d，7 d，15 d最为显著(p≤0.01)；同时引起淋巴细胞数及百分率降低，且同样辐照后3 d,7 d,15 d最为显著(p≤0.01)；辐照对小鼠红细胞及血小板的影响较小；低剂量功率密度的电磁辐照可造成机体白细胞总数、中性粒细胞数的增高、淋巴细胞数量的降低。

低噪声放大器(LNA)是高功率微波“前门”效应典型薄弱器件之一。通过SPICE效应电路建模、模拟计算和注入实验，研究了LNA在不同微波脉宽、功率参数下其增益压制效应规律。模拟结果与实验数据获得良好一致，表明基于SPICE电路模型微波效应研究方法的有效性。研究表明，LNA增益压制脉宽随注入微波脉冲脉宽的增大具有饱和效应，该饱和值基本等于LNA直流偏置电路RC时间常数，并且出现饱和现象对应注入微波脉宽拐点约为150~250 ns。最后，给出了LNA微波脉冲效应定性物理解释和机理探讨。

为了提高超宽带系统的辐射因子，对超宽带脉冲整形技术进行了深入研究，介绍了采用Blumlein线产生双极脉冲的高功率双极脉冲产生技术。对采用Blumlein线产生双极脉冲的原理进行了讨论，通过数值模拟分析了影响双极脉冲形成的主要因素。设计了一套Blumlein高功率双极脉冲形成线，在800 kV脉冲源上开展了高压实验研究，分析了开关及形成线长度对形双极脉冲的影响。在输入单极脉冲电压为652.0 kV、脉宽为2.1 ns的情况下，Blumlein双极脉冲形成线可以产生负峰电压为571.9 kV、正峰电压为550.4 kV、半周期为740 ps的双极脉冲，峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.72倍，辐射因子为4.54 MV。

分析了Marx发生器与正弦振荡回路组合直接输出方波脉冲的近方波Marx发生器理论，并设计了一个该类型的方波发生器装置。其中,Marx发生器由16个充电电压为100 kV、容值为40 nF的电容器组成，采用正负充电的S型超前触发回路,正弦振荡回路由5个与Marx发生器同类型的电容器和1个0.5 μH的电感组成。通过Spice模拟，在负载为100 Ω时，输出脉冲电压为1.1 MV，脉宽约300 ns。提出了利用Marx发生器触发LC回路的方法，以解决Marx与LC回路的同步触发问题，使输出电压能够有效叠加。

分析气体火花开关的电阻特性是研究开关能量损耗、电弧通道的热等离子过程、开关间隙绝缘恢复及输出脉冲特性的重要基础。基于气体开关的导通机理，建立了开关导通工作的电路模型，给出了与形成线、传输线联通的开关等效电路和开关电流表达式，分析了开关电感、电阻对电流增长(脉冲前沿)的影响。研究结果表明：对于大间距、高电压气体开关，火花电阻是影响开关输出脉冲前沿的主要因素。

介绍了一种应用于高功率脉冲源的低电感、高通流能力、长寿命的同轴型电容器。通过理论计算，综合考虑电容器的工作电压、电感、通流能力、与开关的连接方式等，确定了电容器的芯子结构、绝缘子结构及电极结构。通过设计实验线路，测试了电容器的电压、电感、通流能力、寿命等参数。实验结果表明：电容器电容量1.5 μF，工作电压100 kV，工作电流250 kA，峰值电流大于300 kA，电容器电感小于20 nH，储能密度205 J/L，工作寿命大于6 000次。

为了优化卷绕型带状脉冲形成线的输出特性，设计了两种新型的绕制方法,并对制作的带状线进行了模拟研究。结果表明:不同的绕制方法会在一定程度上影响卷绕型带状线内部导体间的耦合特性，进而影响其内部的电磁场分布。设计带状线参数为:延时100 ns，阻抗1.1 Ω，充电电压25 kV，分别研制了不同绕制方法下的卷绕型带状脉冲形成线，并进行了实验研究。结果表明:设计的双平板绕法与传统的三平板绕法制作的带状线输出特性相似;地线间隔绕法制作的带状线上，负载上输出波形得到了明显的改善。实验结果与模拟结果基本一致。因此，根据不同的应用情况，合理选择卷绕型带状脉冲形成线的绕制方法可以改善输出特性、节约成本。

为解决Tesla-PFN型长脉冲功率源在高电压下多个加载线串联时加载线之间出现的电磁干扰问题，对一种环形串联加载线的结构进行了优化设计，重点解决了加载线与形成线的阻抗匹配及加载线的高压绝缘问题。优化了过渡段结构，使形成线与加载线阻抗匹配较好，输出脉冲顶部平坦；利用静电场分析软件计算了加载线的电场分布，通过调整屏蔽环的形状和位置使电场分布更加均匀。

提出了双路输出的螺旋脉冲形成线(PFL)结构，该结构内置用于充电的高耦合变压器，在螺旋PFL的两端各自输出一个脉冲，副路匹配输出时主路输出脉冲波形具有良好的平顶品质，主路输出脉冲能量占储能的大部分，解决了Korovin提出的螺旋PFL充电问题。对比分析双路输出的螺旋 PFL与SINUS-700/130两种技术路线，结果发现双路输出的螺旋 PFL改善了输出脉冲的平顶质量，输出功率提高29%，但是副路输出占用11%的储能，不易充分利用。

强流电子束加速器运行时，临近的计算机和示波器会发生黑屏，这是由于在该过程中产生了较强的电磁辐射干扰。采用实验研究的方法，对实验室研制的强流电子束加速器产生的电磁辐射进行了测量和分析。结果表明：强流电子束加速器产生的电磁辐射主要来源于初级气体开关触发、初级气体开关导通以及气体主开关自击穿导通3个过程。其中，初级气体开关导通时辐射的电磁波强度较大，其强度最大处在与开关相同高度的位置。此外，强流电子束加速器在运行过程中的电磁辐射为低频辐射，主频为21 MHz。

固态化是脉冲功率技术发展的新趋势。综述了中国工程物理研究院流体物理研究所在大功率固态脉冲形成线方面的研究进展，给出了基于铁电陶瓷及玻璃-陶瓷复合材料的固态脉冲形成线绝缘强度、脉冲放电特性等方面的最新结果。对基于铁电陶瓷及玻璃-陶瓷复合材料的固态脉冲形成线的脉冲特性进行了分析和探索。

为解决光导开关耐受场强的提高问题，研制了2种体结构光导开关，并进行了实验研究。两种开关均由半绝缘GaAs材料制成，一种尺寸为10.0 mm×10.0 mm×0.6 mm，电极位于10.0 mm×10.0 mm面上相对位置，电极直径6 mm；另一种尺寸为15.0 mm×15.0 mm×3.0 mm，8 mm直径电极位于15.0 mm×15.0 mm面上相对位置。测试了第1种开关在不同半高宽脉冲加载电压下的击穿电压，结果表明其最大耐受电压达7.6 kV，击穿电场127 kV/cm。对第2种结构测试了开关在直流加载条件下的暗态伏安特性并进行了触发实验，结果表明在15 kV工作电压下，其放电最大电流超过3.5 kA。

提出了一种基于高频交流链接技术的串联谐振变换器，简要分析了该变换器的工作原理及一个周期内的工作过程，给出了变换器的控制方式和控制系统的框图，并进行了仿真和实验验证。实验结果表明，该变换器能够实现网侧电压和电流同相位，且网侧电流谐波含量低，同时串联谐振又具有高效率和恒流特性。因而，变换器具有高功率因数、高效率和低谐波的优点。

20 GW/100 Hz脉冲功率源是一台基于Tesla变压器技术的重复频率脉冲功率装置，设计功率20 GW，脉宽40 ns，重频1～100 Hz，输出功率及重频指标在一定范围内可调。介绍了20 GW/100 Hz脉冲功率源的系统构成，电气及结构参数的确定方法，关键部件的工程工艺技术，并分析了关键绝缘部件的电场分布。实验调试结果表明，20 GW/100 Hz脉冲功率源运行稳定可靠，重频工作时输出电压分散性小于1％，可应用于高功率微波及强流束产生等物理实验研究。

采用快前沿Marx发生器直接驱动辐射天线，设计了一种紧凑型宽谱辐射源。Marx发生器采用3 300 pF低电感陶瓷电容器作为储能电容，采用螺旋形空芯电感作为充电电感，通过各级气体火花开关迅速放电,在负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。系统设计为同轴一体化结构，整个Marx发生器放置在一个密封的金属圆筒内，通过充氮气或者六氟化硫气体来绝缘。辐射系统包括振荡器及辐射天线两部分，系统辐射场中心频率为206 MHz，辐射因子40 kV，可重复频率10 Hz运行。

介绍了纳秒传输线充电技术的原理，利用该原理设计了高功率超宽谱脉冲产生实验装置,通过电路模拟计算分析了实验装置的工作过程。结合1.2 MV高压脉冲电源开展了实验，实验中对输出脉冲形状、输出脉冲功率和工作稳定性进行了调试，在2.7 Ω负载上获得输出功率大于30 GW,脉冲宽度1.6 ns,重复频率100 Hz。系统运行稳定，达到设计要求。

理论分析表明，磁芯的层间电压与带材厚度、带材宽度、加载在磁芯两端的工作电压成正比，与磁芯的有效截面积成反比。实验研究表明磁芯在处理过程中自然形成的氧化膜的耐压能力可以达到3.0～3.6 V。当层间电压大于磁芯层间所能承受的最大电压时，负载上输出波形将出现拐点，导致磁芯的磁感应强度利用率不能达到设计值。在实际应用中，可以通过减小带材宽度等方法，控制磁芯层间电压在3 V以内，从而提高加载在磁芯两端的工作电压，充分利用磁芯磁感应增量至其最大值。

提出一种由三导体同轴线构成的脉冲形成线技术方案，利用中筒改善内外筒间电场分布，提高平均场强，从而获得更高的形成线电压及储能。利用双次级Tesla变压器为形成线充电，简单分析了电路特点及次级电压波形，给出两个筒间隙电压达到恰当比例对应的充电时间。通过优化内筒、中筒半径，得到形成线电压和储能曲线，结果表明:外筒半径固定时，形成线电压和储能均存在最大值。特别分析了有效储能问题，给出了有效储能曲线和能量效率曲线。

设计了一种可调谐频率的高功率宽谱微波辐射装置，装置由可调谐长度的1/4波长低阻同轴谐振器、环形开关、电容耦合器和宽谱辐射天线组成，中心频率调谐为200～400 MHz。低阻传输线与环形开关构成1/4波长短路谐振器，它产生的宽谱微波振荡通过耦合器耦合到宽谱辐射天线上辐射，而耦合器由集中电容与分布电感组成，实现宽谱微波在频率调谐范围内以较为一致的耦合度提取微波能量。通过转动螺杆滑动安装在同轴谐振器内芯上的环形开关，达到改变谐振频率的目的。最后，将可调频宽谱辐射装置与输出电压为500 kV的Tesla变压器脉冲功率源联试，得到200～400 MHz宽谱微波辐射，辐射因子为95～130 kV,频谱百分比带宽为10%～30%。

对高功率超宽谱辐射源的参数进行了理论分析设计，对高压电源、脉冲产生、阻抗变换及传输线、天线等各部分的具体参数进行了分解匹配。根据理论计算结果，设计了一套高功率超宽谱辐射装置并进行了实验研究，对输出功率、辐射效率等进行了调试，在2.7 Ω负载上获得脉冲输出功率超过30 GW、脉冲宽度1.6 ns，通过超宽谱Cassegrain双反射面天线辐射，等效辐射峰值功率超过2×1012 W，辐射因子超过8 MV，H面与E面3 dB宽度分别为2.35°和2.27°。

介绍了一种基于并联谐振波形叠加技术的长脉冲调制器，该结构采用多模块进行波形叠加(并联)，这样可以在纹波一定时，减小脉冲前沿，同时可以提高输出功率，单级结构采用并联谐振结构。为了稳定输出电压，且尽量减小开关损耗，采用频率和相位联合控制方式。对频率和相位联合控制、前馈稳压控制原理及谐振参数设计进行了说明，对基于上述原理的多级并联结构进行了仿真。仿真结果表明：输入直流电压在450~550 V变化时，3个变换器模块并联，谐振参数中心频率50 kHz，在5.2 kΩ负载上产生60 kV电压，上升沿约35 μs,输出电压能保持基本稳定,纹波小于4%。

理论分析了二极管磁绝缘传输线(MITL)区阻抗不连续和二极管阻抗随时间的变化对波过程的影响。结果表明：若MITL区电长度远小于入射波脉宽，则二极管前端测得的电压电流幅值反映了阴极处电压、电流，电压与电流的比值由二极管阻抗确定；为加快阴极处电压、电流前沿，MITL区各段传输线沿波的传输方向可采用阻抗渐增的方式，且取中间元件的阻抗为其两端元件阻抗的均方根；测点电压、电流前沿在时间上可分为传输、全反射和束流形成阶段；梯形电压波入射下，测点波形前沿全反射阶段电压较传输阶段增长速度倍增，电流为一段平台；实际电压波入射下，测点电压波形前沿为一条不断增长的曲线，电流波形前沿存在振荡。

基于液体气泡击穿的椭球模型，推导了气泡形变的流体动力学方程；利用软件Comsol模拟了气泡受力后的形变；根据模拟结果，结合气体击穿的帕邢定律，讨论了气泡形变对液体绝缘的影响。结果表明:气泡在静电引力和表面张力的作用下，沿电场线方向拉伸成椭球，椭球长短轴之比与外加电场强度和气泡初始半径成正比；形变导致电场方向气体通道延长,气泡更容易击穿，外加气压是避免气泡击穿的有效途径之一，外加气压的大小与电场强度和气泡初始半径成正比。

利用峰值功率可达1 GW的纳秒脉冲源CKP1000开展了4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究。使用trigatron作为触发开关，通过单路开关触发特性实验研究优化了开关的结构与工作参数，单路开关抖动0.2 ns，建立了实验装置，实现了4路GW级纳秒脉冲源并联同步输出。同步实验结果为: 纳秒脉冲源输出电压230 kV，峰值功率1 GW，脉冲宽度6 ns，4路输出脉冲同步偏差95%以上概率分布在1 ns以内，平均同步偏差630 ps。

模拟了强流电子束源阴极表面附近区域数密度约1014 cm-3的等离子体的膨胀过程，观察到等离子体膨胀速度约为1 cm/μs。通过观察不同时刻阴极附近电子和离子的相空间分布、数密度分布和轴向电场分布，分析了等离子体膨胀过程。结果表明:等离子体的产生使得阴极表面电场增强，进而增大阴极的电流发射密度，电流密度增加使得空间电荷效应增强，并使等离子体前沿处的电场减小，当等离子体前沿处的电场减小到零时等离子体向阳极膨胀。讨论了等离子体温度、离子质量、束流密度和离子产生率对等离子体膨胀速度的影响。结果表明:等离子体的膨胀速度随着等离子体温度升高而增大，随离子质量增大而减小，但膨胀速度不等于离子声速；等离子体产生率越小，等离子体膨胀速度越小。

根据Trigatron的触发要求设计了脉冲变压器型驱动源、三电极气体开关。在多种驱动模式下对三电极开关的自陡化参数进行统计分析，选择最优的自陡化工作模式。通过研究自陡化工作模式，优化了三电极开关工作极性、工作电场、紫外辐照强度和辐照时间。试验结果表明：增加陡化环节后，Trigatron的击穿概率有了明显提高，击穿时刻延迟和抖动明显降低，扩大了Trigatron稳定工作的欠压比范围。

以Tesla变压器作为脉冲功率源，采用双脉冲法，对4 mm间隙、4 MPa压强的氮气开关绝缘恢复特性进行了实验研究。实验开关电极材料为紫铜，形状为环形。结果表明:在开关放电结束后约0.3 ms内，开关几乎处于导通状态，属于火花通道去电离阶段；而后其绝缘恢复系数以指数曲线上升，直至约3 ms后完全恢复，属于气体温度恢复阶段。Tesla变压器使得高压氮气火花开关的绝缘恢复曲线分段特征更为明显，由于火花通道去电离前其电阻对变压器次级电容呈并联关系，对变压器次级充电有旁路作用。

研究了相对论速调管放大器(RKA)输入腔和中间腔之间的高阶杂模振荡问题。通过模式分析得知杂模在谐振腔内为TM11模式，而在漂移管中表现为TE11模式，针对该模式能在漂移管中传输的特性，利用漂移管内壁涂覆吸波材料吸收杂模功率的方法进行抑制。通过3维粒子模拟程序，分析了吸波材料的电导率及涂覆长度对抑制杂模增长率的影响。利用模拟分析得到的结果，对漂移管中涂覆吸波材料的RKA输入腔及中间腔结构进行了3维模拟研究，结果显示:合适的吸波材料的引入能够很好地抑制RKA输入腔和中间腔之间的杂模振荡。

基于O441.4Open CASCADE开源的计算机辅助几何设计类库，给出了全电磁粒子模拟中复杂模型构建技术及网格生成技术。介绍了Open CASCADE软件的基本特点；给出了基于Open CASCADE进行自主研发的用于全电磁粒子模拟的复杂模型构建软件EasyEMModeling的设计思想、程序框架及已具备的功能；基于Open CASCADE中的射线与几何体的求交算法，给出了Yee网格中共形描述3维复杂模型的共形网格生成技术；最后，给出了验证实例，证实了共形网格生成方法的正确性及有效性。

介绍了NEPTUNE软件采用的一些并行计算方法：采用“块-网格片”二层并行区域分解方法，使计算规模能够扩展到上千个处理器核。基于复杂几何特征采用自适应技术并行生成结构网格，在原有规则区域的基础上剔除无效网格，大幅降低了存储量和并行执行时间。在经典的Boris和SOR迭代方法基础上，采用红黑排序和几何约束，提出了非规则区域上的Poisson方程并行求解方法。采用这些方法后，当使用NEPTUNE软件模拟MILO器件时，可在1 024个处理器核上获得51.8%的并行效率。

介绍了JEMS-FDTD在大规模并行计算机上进行的并行性能测试，包括网格片大小对性能的影响、单节点MPI/OPENMP混合并行性能、多节点MPI/OPENMP混合并行性能、大规模并行性能等。同时，也给出了一个包含电大尺寸复杂、真实结构模型的算例，并对其进行了计算、分析。测试表明，JEMS-FDTD可高效使用数万个处理器核进行并行计算。大型算例测试表明：JEMS-FDTD可针对电大尺寸复杂、真实结构模型进行有效的计算、分析。

针对波束波导系统结构和馈电特性，应用体面积分方程建立了任意结构波束波导中电磁波的激励、传输和辐射问题所对应的物理模型。在激励端，采用模式展开方法描述输入口面场分布，并利用模式匹配方法精确模拟波束波导馈电端的匹配状况。通过对波束波导内部的实际结构的精确拟合，基于积分方程建立了激励-传输-辐射的电磁模型，并以高效数值解法给出了波束波导内部任意场点的电场强度分布和波束波导的辐射场解。数值实例证明，积分方程方法可对电大尺寸任意结构波束波导的激励-传输-辐射问题给出稳定的、高精度的数值解。

研究了同轴边加载三腔谐振腔的高频特性，从圆柱坐标系下的Borgnis位函数出发求解各个区域的场表达式，利用边界条件和相邻区域公共界面上的匹配条件，导出同轴边加载三腔谐振腔内角向均匀的TM模式的色散关系和各个区域场分布的解析表达式。将求得的谐振频率和数值模拟所得到的谐振频率进行了对比验证，求解所得谐振模式的频率和场分布与数值模拟的结果基本一致。

研究了多馈源激励对混响室内场分布的影响。根据理想封闭矩形腔体内电磁场表达式，分析了混响室内场分布的影响因素；通过对比电场的最大值、分布标准差及各向同性等统计特征，重点研究了多馈源激励对腔体内场分布的影响。研究结果表明:采用多馈源激励可以有效地提高场均匀性，有利于构造均匀的电磁场环境。同时也证明了利用该方法在混响室中研究高功率微波效应的可行性。

对微波射频场在微波管内引起的场致发射和爆炸电子发射及等离子体的产生进行了分析，推导了等离子体产生强度与微波振幅、材料的电阻率、热传导系数、质量密度和比热容之间的关系，得到了晶须温度分布的表达式，通过数值解析的方式总结出在远大于微波周期的时间尺度上晶须温度提高随时间线性上升。在模型所述材料特性下，温度的上升率达到了3.22×1010 ℃/s，在100 ns量级就可以使晶须发生气化形成等离子体。

介绍了利用PIN二极管进行高功率无源限幅器的设计方法，分析了影响限幅器功率容量、限幅电平、尖峰泄露、响应速度及恢复时间等的因素。利用平面微带电路的形式，提出了无源检波式及主动式PIN限幅器设计,仿真结果表明:该无源检波式限幅器起限电平约为-3 dBm,脉冲功率容量60 dBm,限幅电平15 dBm左右。针对设计的限幅器，提出了用于测试限幅器性能的高功率实验平台。该平台采用双路双频耦合测量，具有很高的大小信号隔离度，能够进行高功率脉冲、连续波测试，在准确测量限幅器的功率容量、限幅电平、响应速度及恢复时间等指标方面具有很高的可靠性。

通过对94 GHz基波复合腔回旋管中谐振腔结构、电子注参数以及注-波互作用过程的模拟计算研究,分析了复合腔回旋管的高频结构特性和工作参数优化问题。给出了基波H61-H62模式对复合腔回旋管的模拟设计结果。数值模拟结果表明:在电子注电压40 kV、电流5 A、电子横纵速度比1.3、工作磁场3.6 T 时,回旋管可获得78 kW 的输出功率和39%的互作用效率。

根据回旋管的电子回旋脉塞理论，借助于编写的回旋振荡管自洽非线性注-波互作用计算程序，设计出了工作频率94 GHz、工作电压30 kV、工作电流3 A的基次谐波连续波单腔回旋振荡管，工作模式为TE02模。设计的回旋振荡管在电压30.0 kV、电流3.0 A、速度横纵比1.5的条件下，获得了31.8 kW的输出功率，电子效率约35％。利用粒子模拟仿真软件对设计的回旋管收集极辅助线包散焦系统进行了粒子模拟仿真分析，模拟结果表明：借助于辅助线包散焦系统可以有效缩短回旋振荡管的轴向尺寸，并使回旋管收集极上的电子束功率密度低于500 W/cm2； W波段回旋振荡管收集极的热测试验结果表明：利用粒子模拟仿真获得的收集极上的电子束功率密度分布与其试验测量结果比较吻合。

基于一个6腔异腔结构相对论磁控管，运用粒子模拟仿真软件，对同轴阴极和透明阴极的特性进行仿真和实验研究。经仿真优化，设计并制作了一支3个带的透明阴极。粒子模拟结果表明，在相同条件下透明阴极比同轴阴极电子群聚时间大大缩短，起振时间大幅减小，整管效率提高约1倍，输出微波频谱更纯，模式竞争更小。实验结果表明，相同条件下，应用透明阴极所得到的微波脉宽较宽，在S波段获得721 MW的微波功率输出。说明应用透明阴极能缩短相对论磁控管起振时间，与粒子模拟结果相符。

对Wiggler聚焦带状注速调管电子注截面、聚焦磁场和直流通过率进行了测试，分析了Wiggler聚焦的特点，获得了提高Wiggler聚焦带状注束管直流通过率的调试方法。测试结果表明：同一组磁钢摆放方式不同，电子注的通过率会相差很大；聚焦磁场和电子注匹配不好时，会出现通过率为零的情况。不同周期的直流测试结果表明9 mm周期最佳，在磁场均匀性较差、电压较低的情况下都能获得良好的直流通过率。

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%。

利用粒子模拟的方法设计了一个高功率毫米波发生器，并对其进行了实验研究及改进。采用过模慢波结构以增大束波作用空间，从而提高功率容量；为实现过模慢波器件的单模、单频工作，选择TM01模的π模作为工作模式。采用过模慢波结构，结合合理的器件结构设计，可降低器件工作所需的导引磁场。实验在TORCH-01加速器平台进行，产生的微波频率由色散线法测量，其功率由远场积分法得到。最初的器件采用矩形波纹慢波结构，得到频率为33.56 GHz、功率约110 MW的微波输出，但功率难以进一步提高，脉宽仅为7~8 ns，且在慢波结构边沿发现击穿痕迹。对矩形慢波结构进行倒圆角处理后，借助数值模拟，发现其TM01模的π模频率变化不大。改进后的器件在0.8 T导引磁场下，当电压和电流分别为590 kV与5.2 kA时，实验得到频率33.56 GHz、功率320 MW的毫米波输出，微波模式为准TM01模，效率约10%，脉宽延长至约13 ns，器件内表面无明显击穿痕迹。

微波电真空器件随着频率的升高,不但聚焦系统难以实现，而且其输出增益和带宽都受到很大的限制,要解决该问题,建议采用扩展互作用速调管,采用分布作用谐振腔技术来扩展其工作带宽和提高增益。利用CST和粒子模拟(PIC)3维软件对其工作在Ku波段扩展互作用速调管进行了设计和仿真，在工作电压30 kV、束流8.5 A的条件下，聚焦系统采用幅值为0.48 T的周期反转永磁聚焦，在输入功率为5.1 W时，得到效率为23%，3 dB带宽为306 MHz,频带内最大增益为39 dB，其峰值功率为58 kW的微波输出。

提出了一种新型的中等能量P波段相对论返波振荡器，该器件将慢波结构由低波段普遍采用的同轴外波纹结构变为同轴双波纹结构，使得径向束-波作用空间扩大了2倍，一定程度上增加了器件的功率容量；另外同轴双波纹结构还较大提高了器件的时间增长率，从而有效地减小了微波输出饱和时间。经优化设计，该结构在二极管电压300 kV、电流3 kA、导引磁场1.0 T的情况下，获得267 MW的微波输出，效率达30%，频率为867 MHz。

针对一种返波管常规收集极，实测了电子束在收集极内表面的有效作用面积，以电子能量700 keV、束流7 kA和脉宽50 ns为例，计算了单脉冲时的热功率沉积和平均热流密度。利用通用有限元软件ANSYS，采用脉冲热源加载的方式，在对流换热系数7 000 W/(m2·℃)、水温20 ℃的条件下，得到了收集极10～100 Hz运行时温度历史曲线及温度分布，并比较了不同重复频率下收集极平衡温度与对流换热系数的关系。如果以300 ℃为气体发生显著热脱附的温度阈值，对流换热系数为7000 W/(m2·℃)时，能够满足重复频率50 Hz以下运行,而到100 Hz时，对流换热系数则需增加到104 W/(m2·℃)。根据流体计算公式，给出了不同对流换热系数对应的水流流速。

对相对论返波管实验中射频击穿现象进行了分析和数值模拟研究，发现谐振反射器和慢波结构的局部场增强诱导了场致电子发射，引起了金属表面的射频击穿，通过研究分析，提出采用分布反馈式谐振反射器，并采用梯形倒角非均匀慢波结构替换正弦慢波结构的方法来抑制射频击穿。数值模拟研究表明，在微波功率2 GW时，改进后的反射器最大场强由1.4 MV/cm降低为570 kV/cm，慢波结构表面最大电场由1.1 MV/cm降低到780 kV/cm。改进后的结构在二极管电压765 kV时获得了微波功率2.2 GW、脉宽45 ns的实验结果，微波功率和脉宽得到显著提升。

对一种改进型螺旋波纹波导实现高增益高效率被动式脉冲压缩进行了研究，并利用微扰理论求解出了该波导的损耗特性。结合波导的色散和损耗特性，设计了输入微波的频率调制形式。还对改进型螺旋波纹波导进行了模拟研究，在输入脉冲宽度为66 ns的条件下，得到了半高宽为1.9 ns的压缩脉冲，增益为21.2倍，脉冲宽度比为34.7倍，压缩效率为61%，这表明改进型螺旋波纹波导应用于被动式脉冲压缩具有高效率高增益特性。

综合考虑空间区域分割、消息传递、负载平衡及同步和边界处理等因素，给出了计算随机粗糙地面电磁散射的并行时域有限差分算法流程，并在大型高性能并行机上应用。理论分析和仿真结果表明：该算法可以快速准确地计算大尺度随机粗糙地面的电磁散射特性；通过与经典解析方法的比较，验证了该算法的正确性和实用性，在大尺度情况下拟合结果更好，更能体现地面的统计特性。

推导了内外开槽同轴波导和外开槽圆波导的特征方程。数值模拟了内外开槽同轴波导及外开槽圆波导中2π模式的传播特性,研究了开槽深度与截止波数的关系及内外开槽潘尼管频率与各个半径之间的关系。结果表明：内外开槽同轴波导的特征值随内开槽深度的增加而增大，随外开槽深度的增加而减小；内槽半径对频率的影响很小，外槽半径起主要作用。

设计了一种结构简单的高功率微波方圆模式转换器，可以实现圆波导TM01模式与矩形波导TE10模式之间的相互转换。转换器工作在C波段，中心频率4.1 GHz，其输入端口和输出端口相互垂直。计算和仿真结果表明:中心频率处该模式转换器的转换效率可达99%，回波损耗小于-20 dB，转换效率大于90%的带宽大于0.2 GHz。转换器整体3维尺寸都只有10 cm左右。

阵列天线控制系统采用实时操作系统VxWorks，为了实现控制系统计算机与单元天线的通信，在控制系统计算机中采用PCI设备与单元天线通信，并且基于VxWorks实时操作系统开发了PCI设备的驱动程序。主要完成了板级支持包的修改、PCI设备的初始化，以及功能函数的设计。经试验验证，该驱动程序工作稳定可靠，可以应用于控制系统中。

设计了一种高功率同轴旋转关节，通过一系列优化设计，解决了高压绝缘、高压气体动密封技术及承载等问题。分别对旋转关节的力学特性、环境温度适应性、瞬态脉冲传输效率及功率容量进行了实验研究。结果表明：关节的机械旋转及密封结构满足内压2 MPa的使用要求，所选材料在-15～50 ℃温度范围内能够正常工作；对于3 ns的瞬态脉冲，其动态电压传输效率为99.14%；可以稳定传输峰值功率50 GW、重复频率100 Hz、连续作用时间60 s的高功率超宽谱脉冲。该装置已成功应用于超宽带车载系统。

采用VHDL语言设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的步进电机控制器IP核，并在Quartus Ⅱ软件中进行了编译和仿真。该控制器采用了控制参数在线计算模块，使得阵列中每台步进电机都可以根据对应单元的相移量推算出各自的升降频曲线及脉冲发送时刻，从而保证阵列中各个电机的转动角度保持一定的关系，同时能有效地降低步进电机失步的风险。该控制器采用编码器反馈信息处理模块，对步进电机失步进行判断和校正。编译结果显示:通过合理设定数据位宽、重复利用乘法器、合理利用相邻脉冲发送间隔，控制器可以有效降低进行实时参数计算时的硬件资源使用量。测试结果表明，该控制器可以实现阵列天线波束连续跟踪。

加载电磁带隙的平切圆锥等角螺旋(EAS-EBG)天线可以在很宽的频带范围内提高辐射增益。建立了平切等角螺旋锥体(EAS)天线的基本模型，并用HFSS对其进行了仿真。研究了一种加载电磁带隙结构的平切圆锥等角螺旋锥体天线。该天线是在保持原平切等角螺旋锥体天线外形不变的情况下，加载了小型化的电磁带隙结构，以提高增益并保持共形化。仿真结果表明:加载电磁带隙结构的模型增益在5～12 GHz带宽下可以提高1～3 dB，并且轴比特性基本不变。

建立了微波脉冲在建筑物内传播、反射及透射过程的3维仿真模型，提取了空间电场时域最大值进行统计分析。分析表明：不同入射角窄带调制方波脉冲激励下，场增强区域大小与微波通过窗户和门能直接照射到的区域大小呈正比，窗户的大小对建筑物内空间场强增强区域的大小有显著影响；同时在微波脉冲的传播方向上，窗沿后的区域场强幅值明显减小；脉冲宽度对建筑物内空间场强增强区域的大小及空间场强最大值影响很小；无上升下降沿的窄带调制方波脉冲激励下，空间电场叠加增强效应更强。测量了微波脉冲辐照下，建筑物内空间功率密度分布，验证了仿真结果。

对准光模式变换器的基本理论和设计方法进行了讨论。以改进型等效电流理论为基础给出了Vlasov辐射器的分析方法，建立了数值模型，并进行了计算分析。继而推导了自适应相位修正Katsenelenbaum-Semenov算法，编制了相位修正反射镜自适应设计分析程序。在上述理论工作的基础上，针对3 mm波段TE62至TEM00准光模式变换器开展优化设计，得到了Vlasov辐射器、相位修正反射镜的相关参数,并完成了实验样品的加工和相关实验测试。结果表明:输出模式纯度大于94%，测试结果与理论计算具有良好的一致性。

应用模匹配法和空间Floquet理论，对金属光栅的散射特性进行了详尽分析，并且得到了矩形光栅圆极化器的尺寸。然后，对光栅结构进行了优化，得到了双U型金属光栅圆极化器，其轴比1.2范围内的带宽是矩形光栅带宽的3倍，功率容量为矩形光栅的15倍。最后，在CST软件中建立模型，仿真结果显示，中心频率上轴比为1.07，很好地实现了右旋极化转变。

为实现机械相控阵列天线的波束扫描，采用直流电机驱动螺旋天线单元转动来达到预定的辐射相位。利用数字信号处理芯片TMS320F2812设计了直流电机位置控制系统，介绍了控制系统的硬件设计方案、控制策略及软件设计方案。针对直流电机驱动的螺旋天线单元位置控制系统，研究了模糊PID控制算法，并把它应用到控制系统中。实验结果表明，所开发的位置控制系统结构简单，具有响应时间短、无位置超调、定位精度高等良好的控制性能，能够满足螺旋天线单元快速、准确的相位控制要求。

基于模式耦合理论，在理论推导出弯曲同轴波导TEM模和同轴TE11模之间耦合系数显式表达的基础上，报道了可传输同轴TE11模的弯曲同轴波导的设计方法和计算结果，并进行了实例研究。数值仿真结果表明：设计的具有同轴结构的弯曲波导，利用不同的同轴空间，在P,L,S波段中心频率0.680，1.575和3.75 GHz处TE11模单模传输效率超过了99.5%，单模传输效率超过90%的工作带宽分别为0.60～0.83，1.10～2.42和3.10～4.16 GHz。该结构的功率容量在各频段均达到了GW量级。

提出并设计了一种新型耦合探针，研究表明，该探针能有效地扩大耦合调节范围，并基于此探针，研究了中心频率为2.1 GHz的64单元矩形径向线天线阵馈电网络,并进行了优化设计。模拟结果表明:该口径为744 mm×744 mm的馈电网络在中心频率处能达到64路近似等幅馈电，中心频率处的反射系数小于0.1，在2.05～2.15 GHz的频带范围内，反射系数小于0.2。

采用时域有限差分方法仿真分析了高功率微波在丛林地貌传输的双站散射特性，得到了不同入射角度下的双站散射规律，对比分析了利用数值和解析两种方法得到的丛林散射系数与掠射角关系。理论分析和数值计算结果表明：散射系数曲线存在布儒斯特角，且地貌电参数越大，布儒斯特角越小；掠射角小于布儒斯特角时，散射系数随掠射角的增大而减小；掠射角大于布儒斯特角时，散射系数随掠射角的增大而增大。水平面情况下的不同丛林类型双站散射系数变化趋势一致；对于介电常数相对较大的丛林地貌类型，通过镜面反射方向时域有限差分方法得到的半功率波瓣宽度较宽；同一丛林地貌类型不同均方根高度条件下，均方根高度增大，相干分量变小，非相干分量变大；不同入射角、相同地貌和电参数情况下，散射系数的峰值向对应的镜面反射方向移动。

基于传输线理论分析给出了TEM喇叭在高斯脉冲激励下的响应方程，并采用数值计算方法，从响应波形的下降沿拖尾振荡相对基线的浮动量和负峰下冲量的角度研究了在高斯脉冲及其微分形式脉冲激励下，TEM喇叭的响应特性与其张角的依赖关系。基于以单锥TEM室为核心的时域测试系统，实验研究了TEM喇叭的短电磁脉冲响应特性随张角的变化关系，结果表明：对于底宽1 ns微分高斯脉冲，随着张角从8°增大至20°，TEM喇叭响应波形的负峰下冲量由约1.0%增大到约3.6%，实验结果与理论分析和数值计算结果一致。

利用电磁仿真软件模拟了不同结构角锥喇叭天线的增益特性，选择了增益较低的角锥喇叭天线作为X波段高功率微波测量天线。同时,对角锥喇叭天线电磁脉冲响应、有无法兰和有无直波导进行了数值计算和实验研究。数值计算结果表明：角锥喇叭天线不会对20 ns短脉冲波形产生大的影响，能够用于短脉冲测量；法兰和300 mm直波导对角锥喇叭天线增益的影响小于0.2 dB。实验结果表明：角锥天线增益随频率变化无振荡现象，300 mm直波导对角锥喇叭天线增益的影响小于0.2 dB，方向图主瓣宽度约为50°，适用于测试环境较复杂的高功率微波辐射场测量。

分析了采用阵列法测量高功率微波(HPM)馈源辐射总功率的相关技术环节。仿真计算了某型X带HPM馈源辐射场分布，设计了积分法测量辐射总功率的参数，并对积分总功率与端口注入功率的关系以及积分方法引入的测量误差进行了计算。设计了由8路HPM辐射场功率密度测量系统组成阵列，对馈源辐射场功率密度进行测量，保证功率密度测量结果一致性和重复性。测量结果表明：多路测量系统测量波形相同，单路系统多次重复测量偏差在±0.1 dB内，多路测量系统对同一点辐射场功率密度测量偏差在±0.3 dB内，馈源热测E面方向图与冷测结果基本符合，积分总功率与等效辐射功率测量结果吻合较好。

对模式变换器的迭代设计方法做了改进：给出了合理的迭代步长初始值取值方式；在迭代时只考虑了贡献较大的几条耦合线，而忽略了贡献小的耦合线，从而改善带宽。利用改进的迭代设计方法设计了波导直径与自由空间波长比值为2.765 5的TE01-TE11模式变换器，总长度为600 mm，相对带宽为6%，中心频率转换效率为99.14%，总计算时间为40 s。利用CST软件进行了仿真验证，结果吻合较好。