微波输出窗作为电真空器件、加速器和其他大功率微波器件的关键部件之一,它将器件内的真空状态与外环境相隔离,同时将微波能量输出。随着输出功率的进一步提高以及带宽的展宽,对输出窗的要求越来越高。输出窗性能的好坏,在一定程度上决定了器件的成败,成为影响功率提高的一个瓶颈。同时由于高功率微波器件的输出段有时需要和标准波导以及输出窗过渡连接,在过渡段将会引起能量的反射和模式变换。为了得到高的模式纯度,减小微波能量的反射,以及更为紧凑的过渡方式,需要精心设计过渡段。本论文的主要工作包括:一、首先对输出窗的现状进行了概述,分析了输出窗研制所遇到的困难和挑战。深入分析输出窗介质材料的特性,以及大功率宽带输出所需要的介质材料的特性和介质材料研究的最新进展,为窗介质的选择提供参考。同时对影响输出窗带宽和功率容量的主要因素进行了一定的分析。简要介绍了输出窗损坏的主要原因进行分析,以及解决办法。二、利用电磁反射定律、折射定律分析电磁波在均匀介质层的反射与折射,为对输出窗的设计分析提供理论帮助。分析了电磁波在多层介质中的传播与反射特性。对多层介质窗进行了分析,仿真设计了三层介质Ka(中心频率35GHz)波段矩形波导和圆波导输出窗。矩形波导窗在30.2-39.2GHz范围内反射系数S11都低于-20dB,圆波导窗在29.6-38.8GHz范围内反射系数都低于-20dB。与标准半波长介质窗相比较,带宽更宽,介质的总厚度更厚,故能承受更大的功率。同时,可以通过对参数的优化,圆波导窗可以获得在32-37.3GHz带宽内反射系数低于-30dB的结果。三、利用等效电路理论对常规盒型窗设计进行仿真分析,并通过对窗片形状的改进,在保持宽带的情况下消除了带内的鬼模振荡。并用此方法仿真设计了Ka(中心频率35GHz)波段无鬼模盒型窗。得到在32.6-39.6GHz带宽内S11低于-25dB的无鬼模振荡输出,与半波长厚度的介质窗片相比,其与圆波导接触面积较大,带宽更宽,更有利于散热。利用切比雪夫阻抗变换分析设计了两节圆波导阶梯过渡段,并进行仿真优化,同时将其与三层圆波导输出窗一起仿真,得到了得到在31-39GHz频带内反射系数低于-24dB,传输系数大于0.998的较好结果。