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。

对Ka波段TM02模式低磁场相对论返波管的结构特点、工作原理进行了介绍，详细分析了该器件以TM02模工作的模式选择机制。通过粒子模拟，该器件在1 T引导磁场下获得了功率为493 MW、频率29.3 GHz的微波输出，工作模式及频率与理论设计相一致。随后，基于模拟中的结构参数开展了初步的实验研究，当二极管电压为580 kV、电流为3.56 kA、引导磁场1 T时，获得了功率286 MW、频率29.3 GHz、脉宽约10 ns的微波输出。实验获得的微波频率与数值模拟一致，但是微波功率与数值模拟结果有明显差异，并且微波脉冲后沿有明显的缩短，分析认为在低磁场下后端谐振腔链受到电子轰击是导致该问题的主要原因。

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。

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。

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。

对速调型相对论返波管慢波结构色散特性及束波相互作用进行了理论研究。色散特性研究表明：器件工作模式为TM01模，近π点，耦合阻抗较高。色散特性预测的工作频率与粒子模拟结果非常接近。慢波结构峰值增长率相对较小，这与电子束与慢波结构相距较大有关，因而器件从起振到饱和的时间较长。在束波相互作用理论中，全面考虑了电子束与慢波结构前向波基波、反向波－1次空间谐波及空间电荷场相互作用、谐振反射器对电子束进行的束流调制和能量调制作用，以及调制腔和提取腔处引入的耦合阻抗及轴向波数突变。稳态和非稳态计算结果均获得了超过40%的束波转换效率。

根据同轴相对论返波管的特点建立了物理模型, 采用时域有限差分法研究了同轴相对论返波管中波束作用过程。研究表明:同轴相对论返波管中波束作用的输出效率与两端反射系数密切相关, 而且其内部场分布特点对于提高输出效率非常有利。经过优化设计, 利用 500 keV, 4.0 kA 电子束流, 微波起振时间为7 ns, 输出效率大于38%, 与以往数值模拟和实验结果符合较好。根据计算结果进一步分析得到, 与空心相对论返波管相比, 同轴相对论返波管中空间电荷效应的影响较小。

根据线性理论推导同轴相对论返波管色散方程和线性增长率,分别给出了波纹深度和波纹周期改变对于同轴相对论返波管线性增长率的影响规律,发现在一定范围内,减小波纹周期或者增大波纹深度能够降低结构波相速度,获得较大的线性增长率。