研制出国内首支基于电子回旋加热应用的28 GHz/50 kW准光输出大功率连续波回旋管。该回旋管采用了双阳极磁控注入枪, TE02模式谐振腔, 内置准光模式变换器, 单级降压收集极。回旋管采用无液氦制冷超导磁体提供稳态磁场。实验中成功实现54.8 kW/1 s短脉冲输出和45.8 kW/30 s的连续波输出, 工作频率为28.08 GHz, 总效率达到57%。

采用TE34,10-模式开展了140 GHz兆瓦级圆柱回旋管腔体的设计和优化, 并分析了工作模的模式竞争情况.由于两个邻近模式TE33,10-和TE31,11+的竞争TE34,10-未能在高效率区稳定振荡, 使得输出功率显著降低.为了抑制模式竞争计算了工作模和两个竞争模的滞回曲线, 结果表明, TE34,10-能够在磁场由其低功率振荡区下降时对竞争模形成抑制, 而在磁场由低到高时则由于竞争模的率先起振反而被竞争模所抑制.基于此设计了由5.59 T下降至5.51 T的时变磁场曲线, 在此磁场下开展了包含42个模式在内的多模时域计算, 结果表明竞争模式被有效抑制, 工作模在此磁场曲线下能够稳定获得0.96 MW的稳定输出功率, 对应的电子效率为36.7%, 频率为140 GHz.

首次实现直流磁体W波段二次谐波回旋管连续波稳定运行。回旋管工作时所需1.8 T磁场由一个水冷直流线圈产生。直流线圈励磁电流为500 A, 功耗28 kW, 内孔直径66 mm, 可直接将回旋管插入内孔中。回旋管内电子束由双阳极磁控注入电子枪产生。采用高效率内置准光模式变换器实现束波分离并输出准高斯波束。研制的回旋管工作频率为94.08 GHz, 腔内工作模式为TE02。实验中成功实现5 min连续稳定运行, 输出功率达到12 kW。电子束电压为45 kV, 电流1.7 A, 对应的输出效率15.7 %。

开展了40 kW预群聚注入锁相回旋管的理论与模拟设计。基于全电磁仿真方法完成了预群聚腔的设计，并采用给定场理论对电子束经过预调制腔后的群聚状态进行了计算。采用自洽理论获得了回旋管的自由振荡工作参数，并计算了振荡频率随各种参数变化的规律，由此提出了锁相带宽的要求。采用PIC粒子模拟进行了锁相状态的模拟，得到7 mm漂移距离下锁定增益可达30.5 dB，相应的锁相带宽为20 MHz。如果进一步增长漂移距离或者进一步增大输入功率，锁相带宽还会增大。理论计算和粒子模拟结果表明40 kW级回旋管注入锁相具有良好的可行性。

波导间缝隙的互耦会严重降低高功率微波宽边纵缝波导缝隙阵的宽角扫描能力。设计了一L波段高功率宽边纵缝波导缝隙阵，在阵列波导间设计扼流槽结构抑制缝隙互耦。数值模拟结果表明，没有扼流槽结构的阵列波束扫描增益下降3 dB的角度为24.7°，具有扼流结构的阵列扫描增益下降3 dB的角度为33°。同时扼流结构还可以明显改善阵列的有源反射系数，有扼流结构的阵列有源VSWR≤3的带宽为6.6%，而没有扼流结构的阵列有源VSWR≤3的带宽为5.0%。数值模拟结果还表明，波束扫描时(扫描角35°)，阵列功率容量可达到957 MW,比阵列无波束扫描时(1.008 GW)稍低一点。

利用机械调节波导宽边尺寸可变化波导波长，从而实现变频波束扫描相同的效果，针对窄边辐射波导行波阵的波束扫描特性进行了分析，以实现宽角波束扫描为目标，着重分析了不同辐射缝隙间距下变化宽边所能得到的最大波束扫描范围。设计了通过变化宽边尺寸实现宽角扫描的X波段窄边辐射波导缝隙阵，设计波束扫描范围指向波导馈入端，避开阵列法向辐射(此方向辐射效率较低)，实现了29°的连续波束扫描范围，在波束扫描范畴内增益下降小于3 dB，辐射效率大于62%；设计缝隙宽度3 mm,波导长度约1 m(缝隙数40)，单根波导缝隙天线可实现高功率微波功率容量70 MW。

短脉冲线圈电流励磁是高频电真空器件中实现超强磁场的重要技术途径之一，此时器件内将不可避免地产生涡流并进一步对内部磁场分布构成影响。针对使用短脉冲磁场时涡流对电真空器件内磁分布的影响进行了研究，分析了线圈电流脉冲宽度、金属电导率和金属厚度等对涡流的影响，结果表明：随着线圈电流脉冲宽度的减小、金属电导率和金属厚度的增加，涡流对内部磁场的影响也随之增加，导致管内空间无法有效励磁。提出了两种抑制涡流影响的措施，包括采用高电阻率导体进行薄层电镀和对管壁金属纵向切槽开缝。计算结果表明，这两种方法能够有效抑制涡流对器件内部磁场分布的影响，具有良好的实用性。

为了有效提高器件输出微波相位的稳定性，对S波段强流相对论速调管放大器输出微波相位特性开展了理论研究和优化设计。理论分析结果表明，束流发射和传输均匀性、腔内杂频和强流脉冲电压波动是影响器件输出微波相位稳定性的重要原因，通过优化二极管结构，增加吸波材料以及优化腔体结构和参数等手段可以有效地减小上述因素对输出微波相位稳定性的影响，提高器件工作的稳定性。对优化后的器件开展了实验研究，得到单台单次输出功率GW量级基础上，100 ns内相位标准差约10°，单台重频5 Hz工作输出微波相位标准差约20°，两台同时工作输出微波相位差抖动约20°的结果，满足了实际应用的需求。

相位特性是目前制约多注相对论速调管放大器进一步拓展应用的关键参数之一, 为了有效提高器件输出微波相位的稳定性, 利用一维非线性理论对X波段强流多注速调管放大器开展了理论研究, 得到由强流脉冲特性引起的腔体杂频以及电子束运动速度变化率是造成输出微波相位波动的部分主要原因, 同时基于18注实心电子束构成的X波段多注相对论速调管放大器开展了强流脉冲特性对输出微波频率和相位影响的数值计算, 最后利用粒子模拟手段对理论结果进行验证。理论和模拟结果一致表明: 强流脉冲的前沿和波动都将导致器件内实际工作频率的偏移, 并引起相位波动; 在脉冲前沿段, 脉冲前沿长度越短, 器件内实际工作频率偏移越大, 相位波动幅度越大; 在脉冲平顶段, 脉冲波动导致的频率偏移与电压变化率相关, 与电压的幅值无关, 而脉冲电压波动导致的输出微波相位波动由电压变化率及其变化幅度两者共同决定。