高功率微波在受控热核聚变、雷达通信、新材料、环境保护等很多学科领域具有巨大发展前景,作为高功率微波产生系统的重要组成部分,高功率微波源被高度关注和研究。为了拓展应用前景,高功率微波源需要向紧凑轻小型方向发展,以适用于不同的平台,同时,当高功率微波器件工作在长脉冲条件下时,其单脉冲能量和系统整体运行效率将大幅提升,从而大幅提高其作用效力。Ku波段高功率微波有较大的应用潜力,但是受高频段器件尺寸影响,通常需要较强的磁场,且功率容量较低,因此,急需降低器件导引磁场、增大器件内部功率容量。在目前已经报道的高功率微波源中,渡越时间振荡器具有导引磁场低、功率容量高、模式稳定、工作电压范围宽等诸多优点。因此本论文针对渡越时间振荡器在Ku波段紧凑轻小型长脉冲方向展开研究,论文主要分为以下几个方面。首先,对调制腔中的线性理论及影响调制腔工作特性的要素进行了研究。通过研究轴向调制腔中的线性理论,对调制腔的基本运行原理进行研究;此外,改进调制腔线性理论,以适用于轴向弯曲等不同类型的调制腔;最后研究了调制腔不同的漂移段宽度对其工作特性的影响,包括对起振能力和功率容量的影响。其次,从渡越时间振荡器的不同组成结构出发,分别进行仿真建模和优化设计。为了降低磁场,从而达到减少磁场重量的目的,需要对阴极结构和励磁装置进行优化;同时,为了提高长脉冲工作能力,需要提高器件内部的功率容量,并减少由于等离子体产生带来的微波提前截止的风险,需要对束波互作用结构和收集极结构进行优化。在减少磁场强度方面,通过提高阴极尖端电场的均匀性来降低电子束对磁场强度的依赖,一方面拉伸同轴结构中阳极内轴至阴极内部,从而平衡阴极尖端径向电场,另一方面改进聚焦环,并提出了一套分析和设计聚焦环的方法;在减少励磁装置重量方面,通过引入轴向弯曲调制腔,设计了一套可以减少60%以上均匀磁场长度的弯曲磁场;为了降低励磁装置所需能耗,对于轻小型的永磁结构进行了设计,在轴向调制腔中,充分利用阳极内筒中心的空置部分,设置了同轴的永磁体装置,可以在20 cm长度上产生0.35 T的均匀磁场,永磁体重62 kg;在长脉冲方面,通过采用宽漂移段调制腔提高功率容量,并在宽漂移段调制腔的两端分别设置反射腔,提高了起振能力;通过设计大半径电子收集极,避免可能产生的等离子体影响,通过磁场将电子束引向更大半径,从而增加电子束收集表面积,降低了等离子体产生的可能性。再次,对上述物理模型进行了PIC仿真研究,给出具体物理图景并进行分析。提出的轴向弯曲结构,进行了仿真研究,结果显示,在620.0 k V电压,13.3 k A电流的输入下,1.0 T的弯曲磁场引导下,可以产生12.43 GHz,3.37 GW的微波,效率为41.0%,相对于传统同轴渡越时间振荡器结构,所需均匀磁场长度降低了60.0%,有效降低了励磁体的重量。针对传统轴向渡越时间振荡器,采用聚焦环结构,有效降低所需磁场强度,在0.38 T的低磁场条件下,即可产生12.61 GHz,1.65 GW的输出微波,效率为33.1%;采用宽漂移段通道,提高了器件内部功率容量,相同输出功率下,11mm宽漂移段内部最大场强为770 k V/cm,相比于8 mm宽漂移段内部最大场强987 k V/cm,最大电场强度下降了22.0%;采用大半径电子收集极,降低了等离子体产生的风险,65 ns仿真条件下,传统收集极表面能量沉积为43.51 J,而大半径收集极则只有17.63 J,能量沉积减少了59.5%。最后,进行了工程化设计,并对聚焦环展开了实验研究。针对紧凑轻小型Ku波段长脉冲渡越时间振荡器进行了磁场的工程化设计,实验验证了螺线管磁场与设计的一致性;同时,对加载聚焦环的阴极进行了电子束的传输及发射实验,利用法拉第筒对束流进行收集和诊断,实验中发现聚焦环处有明显击穿痕迹,导致法拉第筒检测到的电流比理论值低;在开展高功率微波实验中,加载聚焦环阴极后,未能测量得到微波输出,初步的实验分析表明,聚焦环采用的高分子材料在仿真中的最大场强虽然已经降低到350 k V/cm以内,然而,仍然超过了高分子材料的最大击穿场强,因此,后续将通过进一步改进聚焦环结构,采用击穿阈值更高的材料等方式,进一步研究聚焦环的实际工作能力。