研究了线圈间距、匝数、个数以及不锈钢套筒对脉冲磁体产生磁场的影响规律。在储能电容和电压不变的前提下，研究结果表明：增加线圈间距会导致磁感应强度降低，磁力线包络增大，但总电流达到峰值时刻减小；增加线圈匝数，峰值电流明显减小，会降低磁感应强度，但有利于抑制磁力线包络；增加并联线圈个数，有利于产生较长的均匀区，但是在供能一定的条件下，磁场强度有所降低，同时总电流达到峰值时刻减小。总体来看，在一定均匀区长度的设计要求下，减少单个线圈匝数，增加并联线圈个数，能够得到磁感应强度更大、均匀性更好的磁场，但要考虑线圈承载电流的能力。另外，不对称的阴阳极金属结构会导致磁场不对称分布，且磁感应强度达到峰值时刻要晚于总电流达到峰值的时刻。

设计了一种X波段过模高效率相对论返波管（RBWO），主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6，电子束与结构波TM01模的近π模相互作用，在慢波结构区域束波作用产生的TM01模表面波主要转化为TM02模的体波，其输出微波的模式主要为TM02模，占比为81%，其余为TM01模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路，结合模式匹配法，优化得到了一种双谐振腔反射器结构，其对TM01模与TM02模的反射系数均大于0.99，可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离；同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制，将促进慢波结构区域的束波作用，有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔，进一步提升了转换效率。PIC仿真中,在二极管电压900 kV，电流14.3 kA，得到了6.6 GW的输出功率，转换效率约51%。

从抑制强场击穿的角度出发，结合传统理论和相关粒子模拟方法，设计并优化了工作于C波段的长脉冲相对论返波管。模拟中，利用强流相对论电子束的空间电荷场效应，将3 GW功率水平下电动力学结构表面的最大发射电场控制在700 kV/cm以下。利用实验室700L脉冲功率驱动源平台开展了相关实验验证，实验结果表明，通过合理的结构设计，在功率3 GW级水平下，C波段相对论返波管中的脉冲缩短问题能够得到有效抑制。实验中，当工作电压760 kV、电流为9.0 kA时，在4.23 GHz频点处获得的输出微波功率为2.8 GW，微波脉冲半高宽约101 ns，功率转换效率约41%，实验结果与模拟结果吻合较好。

数值模拟并给出了测量距离、积分角度范围和E面、H面等化性对辐射场积分功率的影响。基于X波段大功率微波源、20 dB标准喇叭以及680 mm辐射喇叭，开展了测量布局对辐射场积分功率的影响大功率验证实验研究。此外，基于X波段9.3, 9.7 GHz相对论返波管，开展了测量布局的高功率应用实验研究。研究结果表明: 尽管测量距离不满足远场条件，但只要辐射喇叭E面、H面的等化性较好，通过足够的积分角度范围控制，也可以得到较为准确的辐射场功率测量结果。

理论分析了收集极中运动电子的失能机制和电子能量对电子束能量沉积的影响,用蒙特卡罗方法计算了不同能量下入射电子的能量沉积分布,分析了电子能量对电子束在收集极中能量沉积的影响,并据此提出了提高收集极耐电子束轰击能力的两种途径。结果表明：激发和电离是收集极中入射电子的主要失能机制；电子的能量越高,在材料中的穿透能力越强,收集极中被收集电子束的最大能量沉积密度越低。综合考虑束流密度分布对能量沉积的影响,可通过两种途径来提高收集极耐电子束轰击的能力：一是通过结构设计增大电子束的收集面积,减小收集极上被收集电子束的束流密度；二是设计高阻抗器件,增大被收集电子束的电子能量,减小收集极上被收集电子束的束流密度。

相对论返波管(RBWO)高频结构表面微凸起结构导致的表面场致电子发射会加速或加剧射频击穿过程,引起RBWO功率容量下降。为提高现有RBWO的功率容量,给出了RBWO高频结构表面场增强的抑制方法,对一种X波段RBWO表面进行了精密工艺处理后,将表面粗糙度降低至未经表面精密处理时的1/40以下,有效降低了高频结构表面场增强因子,减小了结构表面场致发射电子的能力。进一步开展的高功率微波实验研究表明,抑制表面场增强后X波段RBWO的功率容量提高了25%。

设计了一种高功率圆波导TM01-矩形波导TE10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。仿真结果表明：中心频率为9.7 GHz时该模式转换器转换效率大于99.99%，回波损耗小于-40 dB,转换效率大于90%时的带宽大于0.4 GHz。调节底面短路圆波导长度可以实现模式转换器在9.2~10.1 GHz范围内调谐(模式转换效率大于99%)。在圆波导和耦合段连接处引入倒角可有效降低场强，提高功率容量，注入功率0.7 GW，其表面场强小于1 MV/cm。

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。

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。

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。