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。

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。

基于同轴静磁波荡器的自由电子激光主要利用环形电子束与同轴TE模式的相互作用产生电磁辐射，是一种重要的毫米波辐射源。分析了同轴结构作用区内外半径、工作模式、电子束电压、波荡器周期等参数对辐射频率的影响规律，研究了电子束平均半径的选取原则和束波互作用腔的设计方法，设计了辐射频率在W波段的基于同轴静磁波荡器的自由电子激光，并进行了粒子模拟，在电子束电压为720 kV，电子束流为1 kA的情况下，获得了频率107 GHz、辐射功率35 MW的TE01模，束波转换效率为4.9%，束波作用腔总长度小于200 mm，同轴静磁波荡器的磁场幅度0.34 T。

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。

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。

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。

基于相对论返波管振荡器,提出了一种小信号牵引相位控制的方法,通过外加小信号对振荡器起振过程的引导,实现对输出微波的相位控制。相比于传统的方法,该方法可以利用ns量级的脉冲在较宽的带宽和较低的注入功率下实现对高功率微波振荡器的相位控制。在X波段相对论返波管振荡器相位控制实验中,利用百kW级的小信号,实现了对GW级高功率微波的输出相位控制,相位抖动小于±15°。

采用粒子模拟方法对一种基于过模结构的表面波振荡器相对论太赫兹源进行了研究，模拟得到了频率为0.148 THz的电磁波输出，主要输出模式为TM01模式。该结构的特点是没有反射结构，电磁波会进入二极管区域。研究了电子束电压和二极管区域内电磁场对输出功率和频率的影响以及器件几何结构参数对输出功率的影响。计算结果表明，泄露到二极管区域的电磁波对器件工作状态影响很小，但是二极管参数对器件的输出功率影响很大。