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Ka波段高功率微波(High Power Microwave, HPM)具有较高的Pf2因子，处于微波传输的“大气窗口”，有广泛的应用需求。然而，HPM产生器发展到Ka波段时，功率容量往往受到限制。大过模同轴Cerenkov器件具有同时实现高功率容量和模式控制的优势。因此，本论文采用大过模同轴Cerenkov器件开展Ka波段高功率微波产生器件的研究。论文的研究内容包括以下几个方面：
利用数值计算方法研究同轴慢波结构(Slow Wave Structure，SWS)的功率容量特性。基于Floquet谐波展开法，编写MATLAB程序对正弦型外波纹同轴SWS的功率容量进行研究。得到以下结论：同轴SWS中，内外导体间距较大时，准TEM模式与TM01模式功率容量几乎在同一水平，内外导体间距较小(TM01模接近截止)时，TM01模式功率容量显著大于准TEM模式；当同轴SWS内外导体间距固定时，增大其横向尺寸可以有效提高功率容量，且不会增加同轴SWS结构中可以存在的模式数目，有利于实现模式控制。确定了一个高功率容量参量区，在此区域内，同轴SWS中TM01模式功率容量既高于准TEM模式又高于空心SWS中TM01模式，可作为提升同轴SWS功率容量的设计指导。
针对粒子(Particle-in-Cell, PIC)模拟结果，建立两种过模同轴波导内模式成份分析的方法——空间拍波法和模式正交法。空间拍波法适用于输出模式只有两个模式，且导波波长接近的情况，可通过测量输出波导内轴向功率流的拍波特性参量来计算两种模式的比例，此方法具有简单直观的优势，但是对使用条件要求苛刻，无法识别模式，不能得知相位信息，且计算误差相对较大。模式正交法是根据输出波导内的场分布数据，利用规则波导中本征模式的正交性来定量求解模式成分的方法。在对同轴波导中本征模式归一化场分布推导的基础上，得到了求解各模式功率幅值的方法，通过HFSS中的同轴波导模型和PIC模拟中的器件模型对该方法进行了验证，并与空间拍波法求得的模式成分结果进行了比较，证明了两种方法的有效性。
利用二维PIC模拟对Ka波段同轴大过模Cerenkov振荡器进行了设计、优化及研究。设计了具有前置反射器和两段式SWS的Ka波段大同轴过模Cerenkov振荡器。典型的PIC模拟结果为：功率601MW，效率39.5%，频率32.26GHz，最大表面场强1.38MV/cm，远低于同波段Cerenkov器件。通过对SWS内与工作频点接近的两种本征模式的电子电导、传输特性、外部Q值及PIC模拟中的场分布、相空间分布、功率流分布、电子束能分布等物理特征的研究，确定器件工作机制为双模工作机制，即准TEM模7π/8模式的同步相互作用和TM01模3π/8模式的非同步相互作用共同作用过程。对器件的参量敏感性进行了研究，器件能够稳定工作、效率大于30%的二极管电压范围为360kV~480kV，导引磁场范围为0.7T到3.2T；电子束厚度范围为0.7~1.5mm，电子束半径范围为26.4~27.4mm，电子束收集极位置范围为135~155mm。考虑导体材料的有限电导率特性后，在半不锈钢条件下，器件的输出功率为403MW，下降了约33%。针对器件的双模输出问题给出了波纹波导模式纯化和谐振腔模式纯化两种方案，纯化效果均能达到99.3%以上，对二极管电压的容差能力为(407±30)kV，对导引磁场的容差能力大于±0.5T。
利用三维PIC模拟对二维PIC模拟优化结果进行验证，并针对非旋转对称模式竞争问题进行研究和抑制。在三维PIC模拟中原器件会出现严重的非旋转对称模式竞争，因此对器件进行了改善，改善后器件的工作特性在二维和三维PIC模拟情况下基本一致。针对器件中出现的非旋转对称模式问题进行了详细的分析，指出在大过模同轴SWS结构中，严重的频带重叠是导致非旋转对称模式竞争难以抑制的根本原因，即使仅在微波饱和初期有轻微的非旋转对称模式竞争，若下游存在反射，对器件的工作状态的影响也是致命的。针对此问题，提出了相应的解决措施：调节下游锥波导位置使TM11模式相干相消，设计特殊的支撑杆使TE11模式无反射传输，最终消除了非旋转对称模式反射的影响，器件以基模稳定工作。
对所设计的Ka波段大过模同轴Cerenkov型HPM振荡器进行高功率实验研究。设计了器件的工程结构，搭建了实验及测量系统，开展高功率实验。在初步实验中，对比了五种阴极材料产生电子束质量，最终选定了介质铜片阴极、石墨楔形刀口阴极进行实验研究。采用介质铜片阴极时，在二极管电压416kV、电流5.10kA、导引磁场0.94T条件下，用色散线测得微波频率为32.62GHz，输出微波模式主要为旋转对称模式，有极少量的EH11模式竞争。采用石墨楔形刀口阴极时，在二极管电压401kV、电流4.13kA、导引磁场0.95T条件下，用35GHz带宽示波器测得微波主频为32.72GHz，在主频附近存在频率为32.83GHz的杂频，初步推断该频点对应于EH11模式。为解决非旋转对称模式竞争的问题，对锥波导位置和支撑杆进行了改进，改进后实验采用介质铜片阴极，在二极管电压390kV、电流4.42kA、导引磁场1.06T条件下，获得了291MW的微波输出，效率16.9%，微波脉宽25ns，波形近似呈方波，工作状态稳定，远场辐射方向图与模拟结果基本吻合，辐射输出微波模式基本为旋转对称模式，有非常少量的TE11模式，但是对器件的工作状态不产生明显影响。在二极管电压365kV到420kV范围内，输出功率大于200MW，效率大于10%；在导引磁场0.8T到1.55T范围内，输出功率大于250MW，效率大于15%。
利用数值计算方法研究同轴慢波结构(Slow Wave Structure，SWS)的功率容量特性。基于Floquet谐波展开法，编写MATLAB程序对正弦型外波纹同轴SWS的功率容量进行研究。得到以下结论：同轴SWS中，内外导体间距较大时，准TEM模式与TM01模式功率容量几乎在同一水平，内外导体间距较小(TM01模接近截止)时，TM01模式功率容量显著大于准TEM模式；当同轴SWS内外导体间距固定时，增大其横向尺寸可以有效提高功率容量，且不会增加同轴SWS结构中可以存在的模式数目，有利于实现模式控制。确定了一个高功率容量参量区，在此区域内，同轴SWS中TM01模式功率容量既高于准TEM模式又高于空心SWS中TM01模式，可作为提升同轴SWS功率容量的设计指导。
针对粒子(Particle-in-Cell, PIC)模拟结果，建立两种过模同轴波导内模式成份分析的方法——空间拍波法和模式正交法。空间拍波法适用于输出模式只有两个模式，且导波波长接近的情况，可通过测量输出波导内轴向功率流的拍波特性参量来计算两种模式的比例，此方法具有简单直观的优势，但是对使用条件要求苛刻，无法识别模式，不能得知相位信息，且计算误差相对较大。模式正交法是根据输出波导内的场分布数据，利用规则波导中本征模式的正交性来定量求解模式成分的方法。在对同轴波导中本征模式归一化场分布推导的基础上，得到了求解各模式功率幅值的方法，通过HFSS中的同轴波导模型和PIC模拟中的器件模型对该方法进行了验证，并与空间拍波法求得的模式成分结果进行了比较，证明了两种方法的有效性。
利用二维PIC模拟对Ka波段同轴大过模Cerenkov振荡器进行了设计、优化及研究。设计了具有前置反射器和两段式SWS的Ka波段大同轴过模Cerenkov振荡器。典型的PIC模拟结果为：功率601MW，效率39.5%，频率32.26GHz，最大表面场强1.38MV/cm，远低于同波段Cerenkov器件。通过对SWS内与工作频点接近的两种本征模式的电子电导、传输特性、外部Q值及PIC模拟中的场分布、相空间分布、功率流分布、电子束能分布等物理特征的研究，确定器件工作机制为双模工作机制，即准TEM模7π/8模式的同步相互作用和TM01模3π/8模式的非同步相互作用共同作用过程。对器件的参量敏感性进行了研究，器件能够稳定工作、效率大于30%的二极管电压范围为360kV~480kV，导引磁场范围为0.7T到3.2T；电子束厚度范围为0.7~1.5mm，电子束半径范围为26.4~27.4mm，电子束收集极位置范围为135~155mm。考虑导体材料的有限电导率特性后，在半不锈钢条件下，器件的输出功率为403MW，下降了约33%。针对器件的双模输出问题给出了波纹波导模式纯化和谐振腔模式纯化两种方案，纯化效果均能达到99.3%以上，对二极管电压的容差能力为(407±30)kV，对导引磁场的容差能力大于±0.5T。
利用三维PIC模拟对二维PIC模拟优化结果进行验证，并针对非旋转对称模式竞争问题进行研究和抑制。在三维PIC模拟中原器件会出现严重的非旋转对称模式竞争，因此对器件进行了改善，改善后器件的工作特性在二维和三维PIC模拟情况下基本一致。针对器件中出现的非旋转对称模式问题进行了详细的分析，指出在大过模同轴SWS结构中，严重的频带重叠是导致非旋转对称模式竞争难以抑制的根本原因，即使仅在微波饱和初期有轻微的非旋转对称模式竞争，若下游存在反射，对器件的工作状态的影响也是致命的。针对此问题，提出了相应的解决措施：调节下游锥波导位置使TM11模式相干相消，设计特殊的支撑杆使TE11模式无反射传输，最终消除了非旋转对称模式反射的影响，器件以基模稳定工作。
对所设计的Ka波段大过模同轴Cerenkov型HPM振荡器进行高功率实验研究。设计了器件的工程结构，搭建了实验及测量系统，开展高功率实验。在初步实验中，对比了五种阴极材料产生电子束质量，最终选定了介质铜片阴极、石墨楔形刀口阴极进行实验研究。采用介质铜片阴极时，在二极管电压416kV、电流5.10kA、导引磁场0.94T条件下，用色散线测得微波频率为32.62GHz，输出微波模式主要为旋转对称模式，有极少量的EH11模式竞争。采用石墨楔形刀口阴极时，在二极管电压401kV、电流4.13kA、导引磁场0.95T条件下，用35GHz带宽示波器测得微波主频为32.72GHz，在主频附近存在频率为32.83GHz的杂频，初步推断该频点对应于EH11模式。为解决非旋转对称模式竞争的问题，对锥波导位置和支撑杆进行了改进，改进后实验采用介质铜片阴极，在二极管电压390kV、电流4.42kA、导引磁场1.06T条件下，获得了291MW的微波输出，效率16.9%，微波脉宽25ns，波形近似呈方波，工作状态稳定，远场辐射方向图与模拟结果基本吻合，辐射输出微波模式基本为旋转对称模式，有非常少量的TE11模式，但是对器件的工作状态不产生明显影响。在二极管电压365kV到420kV范围内，输出功率大于200MW，效率大于10%；在导引磁场0.8T到1.55T范围内，输出功率大于250MW，效率大于15%。