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Ka波段微波技术在卫星通信、雷达、等离子体诊断、受控热核聚变、医疗卫生等领域具有较大的应用前景，同时，研究Ka波段的高功率微波器件符合高功率微波器件向更高功率、更高频率发展的趋势，因此开展Ka波段高功率微波技术的研究具有重要的研究意义。
传统Ka波段高功率微波源存在以下几个问题：1、电子束的通道较窄，电子束需要被束缚在更小的范围内，因此器件所需的导引磁场一般比较高。2、单模器件尺寸小，因此功率容量比较小。3、过模器件尺寸大，内部往往存在模式竞争，并且所需励磁系统庞大。同轴渡越时间振荡器可有效避免上述问题，依据如下：1、同轴结构的内导体产生的感应电流，削弱了电子束的空间电荷效应，可以允许器件工作在低导引磁场下。2、采用同轴结构，可以通过同时增加内外导体的径向尺寸，在保持工作特性不变的情况下，提高器件的功率容量。3、同轴渡越时间振荡器具有工作模式单一、稳定的优势。4、基于渡越辐射机制的器件还具有功率高、效率高等优点。
基于此，课题致力于通过研究Ka波段同轴渡越时间振荡器，实现一种兼顾低导引磁场、高功率、高效率、工作模式单一的Ka波段高功率微波源。
论文的主要研究内容如下：
开展了关于Ka波段同轴渡越时间振荡器的理论研究。1、分析对比了同轴结构与空心波导的空间极限电流，分析表明同轴结构更具有低导引磁场的潜力。2从小信号理论出发，分析了四间隙群聚腔和三间隙群聚腔的工作模式、工作电压范围以及各模式对电子束有功功率的大小，研究表明四间隙群聚腔更具有高效率的潜力。3、引入了群聚腔与提取腔之间耦合系数的概念，研究发现器件的工作效率随耦合系数的增加而升高。
开展了关于Ka波段同轴渡越时间振荡器的粒子仿真研究。1、建立了具有低导引磁场、高功率、高效率的Ka波段同轴渡越时间振荡器的物理模型，采用四间隙群聚腔与三间隙提取腔的方案，过模比约8.9。在电压447kV，电流7.4kA的条件下，输出微波功率1.27GW，频率26.2GHz，效率38.5%，导引磁场0.6T，阻抗约60?。2、研究了降低器件内电场强度的方法，通过增加内外半径结合倒角处理，将器件表面最大场强降至1.4MV/cm。3、验证了在不同注入电压下，器件工作模式的稳定性和单一性，工作模式由稳定20ns后的二极管电压决定。4、研究了永磁包装的轻小型化Ka波段同轴渡越时间振荡器。引入了新型聚焦阴极，降低了器件对导引磁场的需求，在注入电功率3.28GW条件下，当导引磁场为0.35T时，输出功率为0.8GW，当导引磁场超过0.48T时，输出功率为1.1GW。设计了质量为59.6kg的永磁结构为器件提供导引磁场，在粒子仿真计算中，得到了功率为1.0GW、频率为26.2GHz的输出微波，效率高于30%，实现了器件的轻小型化。开展了关于Ka波段同轴渡越时间振荡器的工程设计。1、为所研究的Ka波段同轴渡越时间振荡器的磁场线圈、支撑杆、模式转换器等进行了工程设计，实验最终选择的模型在电压450kV、束流9.1kA的粒子仿真条件下，输出微波的功率为1.57GW。2、考虑到器件所用的材料不锈钢不是理想导体，研究了不锈钢材料下器件的欧姆损耗，粒子仿真显示欧姆损耗约占输出功率的36.3%。
开展了关于Ka波段同轴渡越时间振荡器的实验研究。1、初步实验研究中，得到了频率约26.7GHz的输出微波。分析近场荧光屏图像发现，输出微波中含有TE11和TE29,1模式，为此设计了对TE11模式无反射的支撑杆；在二极管区域的阴极座和内导体横截面上，存在等离子体轰击的痕迹，分析显示等离子体轰击痕迹是由，为此设计了改进型的二极管结构。2、采用改进的支撑杆和二极管结构进行了实验研究，非旋转对称模式被有效抑制，在电压450kV、束流9.1kA的条件下，输出微波功率650MW，频率26.5GHz，效率16%。
开展了关于频率可调谐的渡越时间振荡器的拓展研究。1、为研究频率可调谐的Ka波段同轴渡越时间振荡器，首先在较易实现的L波段探索了该类器件的调频特性，提出了三种可实现机械调频的渡越时间振荡器：内导体有间隙的同轴结构、内导体光滑的同轴结构、无内导体的空心结构。在仿真设计上，对三种模型结构下微波的产生以及器件的功率容量进行了分析和比较，内导体有间隙的同轴器件输出效率最高41%，可调频范围宽，为1.53～1.93GHz；内导体光滑的同轴器件输出效率最高41%，但可调频范围较小，为1.38～1.52GHz；空心器件可调频范围宽，为1.03～1.31GHz，但输出效率低，最高为25%。2、为可调频器件进行了工程设计，设计中将径向的调节转化为旋转杆的轴向进出，操作简单易实现，并且调节部分整体封装在外筒内部，实验中无需改变磁场等其他部位，可实现实时调频。对调频器件的模式转换器进行了设计与分析，实现了在1.38~1.52GHz内，S11保持在6%以下的模式转换器。3、将该机械调频方法可应用到高频段器件中，以Ka波段同轴渡越时间振荡器作为研究对象，通过改变四间隙调制腔的径向尺寸，在电压为450kV、电流7.4kA的注入条件下，实现了在23.83～26.2GHz范围内，功率高于200MW的微波输出。上述机械调频均具有实时性和连续性。
传统Ka波段高功率微波源存在以下几个问题：1、电子束的通道较窄，电子束需要被束缚在更小的范围内，因此器件所需的导引磁场一般比较高。2、单模器件尺寸小，因此功率容量比较小。3、过模器件尺寸大，内部往往存在模式竞争，并且所需励磁系统庞大。同轴渡越时间振荡器可有效避免上述问题，依据如下：1、同轴结构的内导体产生的感应电流，削弱了电子束的空间电荷效应，可以允许器件工作在低导引磁场下。2、采用同轴结构，可以通过同时增加内外导体的径向尺寸，在保持工作特性不变的情况下，提高器件的功率容量。3、同轴渡越时间振荡器具有工作模式单一、稳定的优势。4、基于渡越辐射机制的器件还具有功率高、效率高等优点。
基于此，课题致力于通过研究Ka波段同轴渡越时间振荡器，实现一种兼顾低导引磁场、高功率、高效率、工作模式单一的Ka波段高功率微波源。
论文的主要研究内容如下：
开展了关于Ka波段同轴渡越时间振荡器的理论研究。1、分析对比了同轴结构与空心波导的空间极限电流，分析表明同轴结构更具有低导引磁场的潜力。2从小信号理论出发，分析了四间隙群聚腔和三间隙群聚腔的工作模式、工作电压范围以及各模式对电子束有功功率的大小，研究表明四间隙群聚腔更具有高效率的潜力。3、引入了群聚腔与提取腔之间耦合系数的概念，研究发现器件的工作效率随耦合系数的增加而升高。
开展了关于Ka波段同轴渡越时间振荡器的粒子仿真研究。1、建立了具有低导引磁场、高功率、高效率的Ka波段同轴渡越时间振荡器的物理模型，采用四间隙群聚腔与三间隙提取腔的方案，过模比约8.9。在电压447kV，电流7.4kA的条件下，输出微波功率1.27GW，频率26.2GHz，效率38.5%，导引磁场0.6T，阻抗约60?。2、研究了降低器件内电场强度的方法，通过增加内外半径结合倒角处理，将器件表面最大场强降至1.4MV/cm。3、验证了在不同注入电压下，器件工作模式的稳定性和单一性，工作模式由稳定20ns后的二极管电压决定。4、研究了永磁包装的轻小型化Ka波段同轴渡越时间振荡器。引入了新型聚焦阴极，降低了器件对导引磁场的需求，在注入电功率3.28GW条件下，当导引磁场为0.35T时，输出功率为0.8GW，当导引磁场超过0.48T时，输出功率为1.1GW。设计了质量为59.6kg的永磁结构为器件提供导引磁场，在粒子仿真计算中，得到了功率为1.0GW、频率为26.2GHz的输出微波，效率高于30%，实现了器件的轻小型化。开展了关于Ka波段同轴渡越时间振荡器的工程设计。1、为所研究的Ka波段同轴渡越时间振荡器的磁场线圈、支撑杆、模式转换器等进行了工程设计，实验最终选择的模型在电压450kV、束流9.1kA的粒子仿真条件下，输出微波的功率为1.57GW。2、考虑到器件所用的材料不锈钢不是理想导体，研究了不锈钢材料下器件的欧姆损耗，粒子仿真显示欧姆损耗约占输出功率的36.3%。
开展了关于Ka波段同轴渡越时间振荡器的实验研究。1、初步实验研究中，得到了频率约26.7GHz的输出微波。分析近场荧光屏图像发现，输出微波中含有TE11和TE29,1模式，为此设计了对TE11模式无反射的支撑杆；在二极管区域的阴极座和内导体横截面上，存在等离子体轰击的痕迹，分析显示等离子体轰击痕迹是由，为此设计了改进型的二极管结构。2、采用改进的支撑杆和二极管结构进行了实验研究，非旋转对称模式被有效抑制，在电压450kV、束流9.1kA的条件下，输出微波功率650MW，频率26.5GHz，效率16%。
开展了关于频率可调谐的渡越时间振荡器的拓展研究。1、为研究频率可调谐的Ka波段同轴渡越时间振荡器，首先在较易实现的L波段探索了该类器件的调频特性，提出了三种可实现机械调频的渡越时间振荡器：内导体有间隙的同轴结构、内导体光滑的同轴结构、无内导体的空心结构。在仿真设计上，对三种模型结构下微波的产生以及器件的功率容量进行了分析和比较，内导体有间隙的同轴器件输出效率最高41%，可调频范围宽，为1.53～1.93GHz；内导体光滑的同轴器件输出效率最高41%，但可调频范围较小，为1.38～1.52GHz；空心器件可调频范围宽，为1.03～1.31GHz，但输出效率低，最高为25%。2、为可调频器件进行了工程设计，设计中将径向的调节转化为旋转杆的轴向进出，操作简单易实现，并且调节部分整体封装在外筒内部，实验中无需改变磁场等其他部位，可实现实时调频。对调频器件的模式转换器进行了设计与分析，实现了在1.38~1.52GHz内，S11保持在6%以下的模式转换器。3、将该机械调频方法可应用到高频段器件中，以Ka波段同轴渡越时间振荡器作为研究对象，通过改变四间隙调制腔的径向尺寸，在电压为450kV、电流7.4kA的注入条件下，实现了在23.83～26.2GHz范围内，功率高于200MW的微波输出。上述机械调频均具有实时性和连续性。