针对高功率微波系统宽频带和波束扫描需求，提出并设计了一种基于可变电容的X波段高功率宽频带波束扫描反射阵列天线。天线采用线极化喇叭馈源和三明治介质埋藏式贴片单元，其中贴片部分为嵌套式双谐振结构集成可变电容，同步拓宽相位调节范围（360°）与工作带宽。通过消除单元突变结构并采用三明治介质层，有效抑制了三相点产生，使功率容量提升至5 MW（0.1 MPa气压SF₆环境）。调节可变电容容值可实现8.55～9.65 GHz频段内12%相对调谐带宽。基于11×11矩形栅格的反射阵仿真表明：242 mm口径阵列天线最大增益25.12 dBi，口径效率54.39%，全频带支持0°～20°波束扫描。相较于现有技术，该设计在调谐带宽（12%）和功率容量（5 MW）方面具有优势，为高功率微波系统的宽频带波束控制提供了有效途径。

高功率微波(HPM)系统集成过程中，微波源与传输发射分系统的对接状态直接影响系统性能，不良的对接状态可能引发射频击穿，导致系统输出功率降低。因此，诊断系统的对接状态具有重要工程价值。为此，开展了非接触式高功率微波传输技术研究，并针对采用圆锥喇叭作为馈源的Ku波段GW级HPM系统，提出了一种馈源喇叭注入功率测量技术。基于仿真设计，完成该测量技术的关键组件研制，并开展了小信号测试和功率容量考核试验。试验结果表明，在（15±0.15） GHz范围内，该测量组件的反射系数小于−26 dB，耦合系数为（−0.31±0.07） dB，功率容量超过900 MW。实验和仿真结果证明,提出的测量技术具有耦合系数稳定、测试误差小等性能，能够有效测量HPM源注入馈源喇叭的微波功率，并诊断HPM系统的对接状态。

在高功率微波辐射领域中，模式变换器加喇叭天线是实现旋转轴对称模定向辐射的常用技术，但模式变换器与喇叭天线的分离设计往往会使得天线轴向和口面尺寸较大。为了满足实际应用场景对天线小型化的需求，提出了一种模式控制与辐射一体化的阶梯型双半圆波导辐射天线。该天线由圆波导TM₀₁模输入，通过插板将圆波导TM₀₁模分成两路相位相反的半圆波导TE₁₁模，之后再连接两个不对称的阶梯型半圆波导辐射器实现微波辐射。功分器采用了渐变圆波导进行匹配，同时采用大半径的内导体以提高功率容量。双半圆波导辐射器利用模式匹配法结合粒子群优化算法进行相位调节和模式控制。通过分区域的模式控制和辐射一体化设计，在辐射口面处达到更加均匀的同相电场分布，实现定向辐射，从而缩短了天线长度、降低了口面大小。优化设计了一个中心频率为2.85 GHz的天线模型，天线尺寸为1.18λ×1.18λ×2.42λ。仿真结果表明：在2.75～2.96 GHz内天线回波损耗大于15 dB，在2.71～3 GHz内实际增益大于15.5 dBi，中心频点的实际增益为16.14 dBi，真空功率容量为906 MW。相比于传统的模式转换器加喇叭天线的技术路线，该天线具有高功率容量、小型化的特点。

传统上通常采用外接真空泵组来获取和维持高功率微波系统的真空状态，但这会显著增加系统的体积和重量，限制其实际应用场景。为了实现高功率微波系统的轻小型化，提升其实用性，针对X波段重频高功率微波系统，设计研制了一种真空封装装置。在脉冲传输线-二极管界面以及微波天线喇叭口，采用了陶瓷-金属钎焊技术；在系统的其他接口处采用了刀口密封技术，实现了高功率微波产生、传输及发射腔体内部的真空封装。借鉴真空电子领域中的材料表面清洗、烘烤排气等真空获取手段，系统可以在非工作状态下维持10⁻⁷ Pa数量级的气压接近100 h。通过在二极管外筒和微波天线喇叭上安装非蒸散型吸气剂泵，可有效捕集系统加电工作时腔内释放的气体，实现动态真空维持。实验结果表明，该系统能够以10～30 Hz的重频稳定运行10 000炮次以上。

基于互耦锁相方案，设计了多磁控管单元模块，将其构造为轴向输出的模块化单元，以解决径向输出磁控管在大规模阵列应用中因为角向不均匀性带来的影响，并有效提高系统的鲁棒性。磁控管之间通过锁相桥连接，传统方案以单个磁控管模块为基础，设计方式单一且不灵活。此外，由于径向输出的磁控管角向电场分布不均匀，锁相桥在不同位置增加耦合结构会导致磁控管的特性阻抗变化，并改变锁相桥中能量占系统整体能量的比例，从而影响输出特性和锁相效率。首先设计了多种拓扑结构的磁控管锁相单元并进行了仿真研究，仿真结果表明，电场角向均匀性使得锁相桥开口位置及数量对于锁相性能有明显影响。随后，选取了适合模块化设计的首尾串联型模块进行下一步的研究，在此基础之上设计了四合一功率合成器，此时模块化单元为轴向输出设计。仿真结果表明，四管锁相单元模块的输出功率约为988 kW，约为自由振荡磁控管单管输出功率的四倍，锁相效率达到97%。

提出了一种基于可变倾角连续横向枝节(VICTS)天线和多层全金属十字开孔透镜的变极化波束扫描方案，通过调整极化层、辐射层以及天线整体的旋转角度，即可实现线极化和左（右）旋圆极化的自由切换，并可实现不同极化输出下的二维波束扫描。设计了一个K波段口径150 mm的天线模型，仿真得到天线圆极化辐射时的最大增益为27.61 dB，轴比为1.05 dB，口径效率为58.7%；波束扫描至26°时，增益为25.72 dB，轴比为2.58 dB。线极化辐射时的最大增益为27.63 dB，口径效率为58.7%；波束扫描至26°时，增益为25.82 dB。按真空中金属击穿阈值50 MV/m进行计算，VICTS天线的功率容量为9.6 GW/m²，极化层的功率容量超过10 GW/m²，该变极化波束扫描天线方案有应用于高功率微波领域的潜力。

研究了波导缝隙阵天线在高功率微波技术中的应用，提出了一种新的设计方法，特别关注了波导缝隙阵天线的缝隙互耦、副瓣电平以及天线和馈源的匹配问题。新方法利用现代计算机技术快速计算出考虑缝隙互耦效应的缝隙电导函数，从而实现波导缝隙阵天线的高效设计，该方法无需复杂运算或外部结构，保证了系统紧凑性，并在设计波导缝隙面阵时表现出更高的有效性。仿真结果表明：新方法设计的天线在匹配度方面表现优异，在中心频率f = 2.458 GHz处，所设计的天线的各个端口的反射系数范围为−37.2 dB至−27.7 dB，相比使用Stevenson公式设计相同目标参数的天线的各个端口的反射系数范围为−11 dB至−8.7 dB，使用新方法设计的天线的各个端口的反射系数至少降低了19 dB。此外，新方法设计的天线实现了−30.2 dB的低副瓣电平和332.6 MW的高功率容量。

高功率微波易通过电子设备间互连线缆这一主要耦合途径进入系统内部，扰乱甚至损坏敏感电路或器件。为指导工程上合理布线，提升电子系统在高功率微波环境下生存能力，采用仿真分析和试验验证相结合的方法，系统性研究了不同参数条件（线缆长度、离地高度、端接负载阻值、辐射场入射角）下高功率微波与线缆的耦合效应，获取了耦合响应规律并分析了内在原因。结果表明：耦合信号随线缆长度增加先振荡变化后逐渐趋于稳定，振荡周期与入射波波长相等；耦合信号随线缆距地高度变化呈现振荡变化，极大值和极小值分别出现在距地高度为入射波1/4波长的奇数倍以及1/2波长的整数倍时；耦合信号随端接负载阻值增加先变小后变大，当负载阻值与线缆特性阻抗匹配时，耦合信号最小；耦合信号随来波方向与线缆布设方向间夹角的增大而增大，当两者垂直时，耦合信号最大。在此基础上给出实际工程中线缆敷设优化建议。

对一个S波段TE₁₁输出8腔全腔提取相对论磁控管（R8 ACAE-RM）的永磁包装设计进行了初步探索。采用一种内磁块和外磁块相组合的结构，内磁块置于阳极筒内阳极块两端，外磁块置于阳极筒外，在互作用区产生磁感应强度约为0.34 T，轴向均匀区长度为72 mm的磁场，永磁体重量仅为21 kg。相较于传统外磁体系统，该设计可以使磁体重量降低，互作用区磁场强度更加均匀，系统结构更加紧凑，满足高功率微波源系统的轻量化、小型化需求。相对论磁控管选择$ \mathit{\pi } $模作为其工作模式，通过全腔提取结构输出4个90°扇形TE₁₁模式，最后通过同轴插板模式转换器进行模式转换输出圆波导TE₁₁模式。利用粒子模拟软件对器件仿真模拟，在二极管电压320 kV，永磁体产生的磁场空间下，R8 ACAE-RM获得了1.06 GW的微波输出功率，微波中心频率为2.44 GHz，转换效率约为47%。