Ka波段高功率微波器件有着广泛的应用需求,开展相关研究,具有重要的理论意义和应用价值。过模切伦柯夫型器件具有结构和工作原理简明、功率容量高、可低磁场工作等优势。因此,本论文采用过模切伦柯夫型器件开展Ka波段高功率微波产生器件的研究。论文的主要研究内容如下:对Ka波段过模慢波结构的相关特性进行了线性理论研究。推导了Ka波段慢波结构色散关系的通用方程,得出了可适用于计算高频段高过模比条件下色散关系的计算方法。根据以上色散方程和计算方法编制了数值计算程序,实际计算了Ka波段过模慢波结构的色散关系,并计算了尺寸参量的影响。对热腔增长率、耦合阻抗、空间极限电流和起振电流等Ka波段过模慢波结构的代表性参量进行了讨论。通过对Ka波段慢波结构TM02模式增长率变化规律的分析,探讨了器件工作于高阶圆周对称模式以提高功率容量的可行性。开展了系统的器件粒子模拟。采用多种方法,优化了器件的功率流分布;同时在慢波结构部分引入了尺寸渐变结构,保持和提高了功率效率。在导引磁场为0.95 T条件下,当电子束电流为3.2 kA,二极管电压450 kV时,得到的输出微波功率为0.52 GW,对应的功率效率为36.1%,频率为32.3 GHz。采用粒子模拟中获取的场分布数据,用数值方法推算出了器件在实验中输出模式的组份。通过与既有器件实验数据的比较,验证了该方法的有效性。据此方法分析发现,器件输出功率饱和后,其输出模式功率占比和相位关系稳定,慢波结构前后的反射对于器件输出模式组份影响明显。据此,通过调整结构,使本论文设计的器件在慢波结构过模比大于4.6的条件下,输出微波中TM01模式的功率占比达到90%。对器件进行了实验研究。使用电子束目击靶观察了磁场导引下电子束的传输情况,选取发射均匀性更好的石墨阴极用于实验研究。利用色散线法测得,器件输出微波的频率是32.1 GHz,与粒子模拟结果相接近。采用荧光灯阵列得到了圆周对称性良好的圆环状微波激励发光图像,证实器件输出微波模式具有良好的圆周对称性。通过实验方向图与理论推算方向图的比较,证实器件输出微波中TM01模式的功率占比约为90%,各个模式之间的功率占比和相位关系稳定。在导引磁场为0.95 T条件下,当二极管束流为6.2 kA、电压530 kV时,测得的微波远场辐射功率为0.35 GW,对应的功率效率约为10.7%,脉冲宽度约16.0 ns。在导引磁场为0.95 T条件下,当电子束流为9.9 kA、二极管电压为605 kV时,微波远场辐射功率为0.63 GW,脉冲宽度约10.5 ns。在二极管电压小于600 kV时,器件连续工作十次,输出微波脉冲波形一致性较好,功率波动在5%以内。运行参量对器件实验功率效率的影响趋势与粒子模拟一致。这些功率和脉冲宽度测量结果表明,器件具备了产生和输出GW级功率水平的Ka波段微波的能力。