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在全面调研和认真分析磁绝缘线振荡器（MILO）的基础上，结合虚阴极振荡器（Vircator）的特点，提出了一种以虚阴极振荡器为负载的新型MILO（V-MILO），可使MILO负载电流在提供自绝缘磁场的同时被充分利用，形成虚阴极振荡产生微波，从而提高器件的效率。论文主要对工作在C波段的以向外发射同轴虚阴极振荡器（Coaxial Vircator）为负载的新型MILO（CV-MILO）进行了较为深入细致的理论分析、粒子模拟和实验研究，得到了一些有价值的结果。 在理论上，研究了MILO同轴慢波结构的色散特性，得到了慢波结构参数对器件高频特性影响的规律，发现调节MILO阴极杆半径几乎不影响器件的运行频率，为通过调节阴极杆半径来调节器件阻抗提供了方便；研究了新型MILO中向外发射同轴虚阴极振荡器的工作机制，重点分析了外加微波调制对向外发射同轴虚阴极振荡器工作的影响，发现在强微波调制下，同轴虚阴极振荡将被调制波锁频、锁相，且其输出功率随外加调制波功率的增大而增大；研究了MILO同轴提取区新型支撑杆的设计，得到了基本规律：对一定工作频率的微波来说，若同轴波导中第一个截止模式是Hnl，则应选择n根角向均匀分布的支撑杆，这样的设计即可保证支撑杆起到导流的作用，又不影响输出微波的模式。 利用2.5维全电磁PIC粒子模拟程序对本文提出的四种新型结构的C波段MILO进行了详细研究，获得了基本的物理图象和微波输出与器件结构、束流参数的关系。重点研究了以向外发射同轴虚阴极振荡器为负载的CV-MILO和相应结构的以同轴二极管为负载的CD-MILO，其优化结构的模拟结果为：CD-MILO在束流参数520kV、41.5kA条件下，输出微波平均功率2.6GW，频率3.9GHz，效率12％；而CV-MILO在束流参数510kV、41.4kA条件下，输出微波平均功率可达到3.2GW，频率3.9GHz，效率提高到15％。 在初步的微波实验中，分别测试了CV-MILO和CD-MILO输出微波的功率、频率和模式；测试了束流参数对微波输出功率的影响；并对不同阴极材料进行了初步比较研究。初步实验结果为：CD-MILO在550kV、43kA的束流情况下，测量到功率为300MW、频率为5GHz的TEM模微波输出，效率1.3％；而与其相应的CV-MILO在540kV、42kA的束流情况下，测量到的微波功率提高到510MW，效率为2.3％，其模式和频率与CD-MILO一致。 尽管实验测试和粒子模拟结果存在一些差异，但用两种方法所进行的关于以虚阴极振国防科学技术大学研究生院学位论文荡器为负载的CV一MILO和相应结构的以同轴二极管为负载的CD一MILO的比较研究说明:以虚阴极振荡器为负载的新型MILO可以充分利用负载能量产生微波，获得更高的微波功率和效率，从而验证了我们提出的以虚阴极振荡器为负载的新型MILO的可行性。 本文旨在探索一种提高MILO效率的途径，这也将为其它微波器件的发展提供借鉴。 关键词:高功率微波，磁绝缘线振荡器（MILO），虚阴极振荡器（Vircator），PIC粒子模拟第2页