为了满足高功率微波系统对微波输出窗高功率容量和紧凑化的应用需求，以传统盒型窗的设计理论为基础，通过优化窗体结构和添加过渡段等手段，设计了一种C波段小型化高功率微波输出窗。通过增大窗体表面积、改变矩形波导-圆波导过渡段的连接方式可提高功率容量并缩小微波输出窗的纵向尺寸；采用“I”型的窗体结构可有效抑制三相点（真空-介质-金属）附近的次级电子倍增效应对输出窗性能的影响。在电磁仿真的基础上采用粒子模拟（Particle-in-Cell）的方法研究了微波输出窗三相点附近的次级电子倍增效应，从微观角度进一步证实了“I”型窗体结构可使三相点位置发生移动，减小三相点发射的电子在窗片表面产生次级电子倍增效应的概率，降低微波输出窗的击穿风险。设计结果表明，微波输出窗在中心频点处的主模反射系数低于0.01，传输效率高于99.9%，功率容量可达47.9 MW。

真空电子器件在毫米波和太赫兹波频段具有大功率的天然优势，可用于构建高效率、大功率的毫米波和太赫兹辐射源，对高功率微波技术及太赫兹技术的发展具有十分重要的意义。输出窗是真空电子器件的关键部件，输出窗击穿是器件失效的主要原因之一，而次级电子倍增效应被认为是输出窗击穿的主要原因。本文梳理了目前分米波及厘米波波段真空电子器件输出窗的研究现状，在此基础上梳理了这一领域未来研究的主要发展方向，以期为未来真空电子器件向更高功率和更高频率等级发展提供参考。

根据热核聚变用140 GHz回旋振荡管研制需要, 对高斯模式输出窗进行研究。以化学气相沉积金刚石作为输出窗片的材料, 通过理论分析, 优化设计出低反射、低吸收高斯模式输出窗片的尺寸, 获得窗片半径和厚度分别为46 mm和1.8 mm。通过理论分析各参数对高斯模式透射率的影响, 并利用FEKO软件进行计算验证, 获得高斯模式输出窗设计参数, 从而为热核聚变用回旋振荡管的研究打下技术基础。

通过建立电磁场等离子体流体耦合物理模型，基于自主研发的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D，编制了3维电磁场与等离子流体耦合程序模块，对1.3 GHz高功率微波窗内表面闪络击穿物理过程进行了数值模拟。研究结果表明：微波窗内侧表面形成的等离子体构型与初始种子电子分布形式密切相关。中心点源分布下，等离子体发展为“蘑菇”形状, 输出微波脉冲缩短并不严重，等离子体吸收微波功率大于反射微波功率；面源分布下，等离子体发展为“帽子”形状，输出微波脉冲缩短严重，输出微波完全截断，开始阶段等离子体吸收微波功率占优，待等离子体密度增加到一定程度后，反射微波功率占优。通过降低窗体表面场强、表面释气率及初始种子电子密度等方法，可不同程度地延长输出微波脉冲宽度。窗体表面不同气体层厚度对闪络击穿下的输出微波脉冲宽度影响不大。

利用等效电路理论, 初步设计了窗片厚度为1.32 mm的回旋行波管盒型输出窗, 再加入感性膜片, 更改窗片形状, 最终设计出了能承受25 kW平均功率、相对带宽达到14%、窗片厚度达到1.7 mm的Q波段新型宽频带回旋行波管盒型输出窗；采用高频软件HFSS与有限元分析软件ANSYS协同仿真的新方法对回旋行波管盒型窗进行热特性研究表明, 盒型窗理论上功率容量达到62 kW平均功率, 说明输出窗窗片承受25 kW平均功率的可行性, 窗片中心与边缘的温差为66 ℃, 没有达到陶瓷窗片的临界温差158 ℃, 验证了新型盒型窗设计的合理性。

利用场匹配理论建立传输级联矩阵的方法对多层窗片结构输出窗进行研究,通过大量的数值计算给出Q波段回旋行波管一种新型中间风冷结构输出窗的参数,然后通过数值计算和HFSS仿真验证,该新型输出窗在46~50 GHz范围内,S11反射系数小于-20 dB。在此基础上进一步对该输出窗进行热分析,热分析表明: 新型输出窗窗片中心与边缘温差与传统输出窗相比大幅下降,热应力大大减小,提高了输出窗的功率容量。回旋行波管工作在TE01模式时,新型输出窗获得的最大饱和功率容量达到90 kW,与传统输出窗相比,功率容量提高了21.8 kW。

射频夹具去嵌入技术通过将测量回路等效为网络级联的思想来实现,通常工作频率低于6 GHz。基于误差模型参数修正原理,利用工作在Q波段回旋行波管输出窗的S参数进行验证,证明了该方法在微波测量去嵌入上具有很高的准确度,并给出了射频夹具去嵌入无法直接用于微波测量去嵌入的原因。回避了射频夹具去嵌入用于微波测量去嵌入的谐振问题,详细介绍了误差模型参数修正原理及具体实施方式,对于微波波导测量去嵌入具有一定的借鉴意义。

为了解决目前3 mm回旋行波管所使用的蓝宝石输出窗因功率容量不足而发生破裂的问题。从抗热震性和功率容量两个方面出发，对常用的几种窗片材料进行了对比。在国内首次以微波等离子体化学气相沉积金刚石为窗片材料，利用数值计算及ANSYS软件仿真设计了用于3 mm回旋行波管的低反射，低吸收，宽带宽，高功率容量的输出窗。结果表明，所设计的输出窗适用于TE01模式输出，其S11参数小于-20 dB的带宽为6 GHz。同时，该输出窗具有良好的抗热震性，在自然对流散热条件下具有61 kW的功率容量。

为进一步改进和优化高功率径向线阵列天线的拓扑结构，提高功率容量水平，并满足馈源的真空密封需求，提出并设计了一种适用于高功率径向线阵列天线的微波输出窗。该高功率径向线输出窗采用圆环形陶瓷，材料介电常数为9.4，窗片厚度为3 mm，内径为36 mm，可实现径向线阵列天线馈电系统的输入同轴波导与输出同轴波导间的真空密封。设计结果表明：在中心频率为2.856 GHz下，该径向线输出窗驻波比为1.03，插入损耗为0.17 dB，设计功率容量约150 MW。