随着高功率微波技术的发展,微波辐射系统所需传输的微波功率已达到数GW量级,微波脉宽已达到百ns量级,这使得输出窗真空-介质界面的击穿成为一个十分常见的现象。该击穿的产生,不仅造成了辐射微波脉宽的缩短,而且制约了高功率微波器件朝更高功率、更长脉冲、更高重复运行频率以及紧凑化等方向的发展。因此,开展高功率微波输出窗真空-介质界面击穿行为的研究,认识并解决其在界面上的击穿问题,是高功率微波实现有关发展目标的必然要求,具有重要现实意义。鉴于此,本文研究了输出窗真空表面闪络的物理过程,实验对比了不同窗口材料绝缘能力的差异,探索了新材料在输出窗上的应用,论证了表面刻槽对输出窗功率容量的提升作用。最后,研制了不同结构的介电性能测试器件以用于窗口材料的微波测量。论文的主要工作和结果如下:1.采用直接模拟蒙特卡罗和PIC-MCC粒子模拟相结合的方法建立了输出窗真空表面闪络的物理模型,编写了不受时间步长限制、带有亚网格划分能力的1D3V电磁模型的PIC-MCC粒子模拟程序,实现了带有气体解吸附过程输出窗真空表面闪络的粒子模拟,得到了输出窗从次级电子倍增到最后等离子体击穿的过渡过程。研究发现微波自磁场可以在不存在表面直流场的情况下将电子拉回介质表面,起到促进闪络的作用。最终击穿阶段电子在介质表面的沉积功率可达入射微波功率的50%左右。在此基础上,探讨了静电绝缘和磁场绝缘在输出窗上的应用,得出了垂直指向介质表面的外加电场可以抑制闪络的发展,而平行于介质表面同时垂直于微波电场的外加磁场当满足电子回旋频率与微波角频率相近时同样可以有效地抑制闪络的发展。2.为寻求抑制输出窗真空表面闪络的方法,同时也为进一步分析输出窗真空表面闪络的物理过程,在百ns高压脉冲和百ns高功率微波下分别就窗口材料的绝缘特性进行了实验研究。对比了不同材料绝缘能力的差异,分析了表面刻槽对材料绝缘强度的提升能力,并探讨了聚碳酸酯(PC)和聚醚酰亚胺(PEI)在高功率微波输出窗上的应用。百ns高压脉冲下的实验研究表明:无论是在平板还是刻槽结构,PC的绝缘强度高于聚四氟乙烯(PTFE)和高密度聚乙烯(HDPE)。刻槽结构有效地提升了介质样品的表面闪络时延,其中在二极管电压260 k V,阴阳极间距100 mm时,宽2 mm、深2 mm、周期4 mm的刻槽结构使PTFE在指状电极下的闪络时延从45±3 ns增加到了78±3 ns,HDPE的闪络时延从67±9 ns增加到了98±9 ns,PC的闪络时延从93±5 ns增加到了177±9 ns。实验同时利用超高速相机HSFC-Pro获得了平板和刻槽结构圆盘形介质样品表面闪络发展过程的光学图像,发现平板介质样品的表面闪络几乎是沿两电极中心连线发展,而刻槽结构介质样品的表面闪络几乎是沿样品圆周发展,这致使后者的爬电距离大概是前者的π/2倍。百ns高功率微波下的实验研究表明:平板结构下,PEI输出窗绝缘强度最高,PC次之,HDPE再次之;刻槽结构下,PEI和PC输出窗绝缘强度基本相当,HDPE次之。刻槽输出窗的绝缘能力明显强于平板情况,其中在喇叭口面电场63 k V/cm、微波频率3.73 GHz时,宽1.5 mm、深1 mm、周期2.5 mm的刻槽结构使HDPE输出窗对应的远场微波脉宽从62±4 ns增加到了85±5 ns,PC输出窗对应的远场微波脉宽从72±4 ns增加到了105±5 ns,PEI输出窗对应的远场微波脉宽从78±5 ns增加到了105±8 ns。实验同时对比了表面粗糙度对输出窗绝缘强度的影响,证明了一定的表面粗糙度有利于提升输出窗的绝缘性能。HDPE、PC和PEI在平板结构下,表面闪络痕迹不明显,但在刻槽结构下,PC和PEI电树枝明显,尤其是PEI,它在刻槽结构下,碳化严重,使用寿命将受限制。3.为满足不同特性窗口材料介电性能的测量需求,先后研制了TE011和TM011双模介质谐振器、改进型TE01n圆柱谐振腔以及基于分裂腔结构的双波段测试系统。利用这三种器件对PTFE、HDPE、PC、PEI、两种氧化铝陶瓷和一种玻璃钢天线罩进行了测量,其结果表明:所提出的双模介质谐振器可用于低损耗、低介电常数、可加工窗口材料在X波段的测量;改进型TE01n圆柱谐振腔可用于陶瓷等平板类(厚度>5 mm)、不可加工窗口材料在C以及更高波段的无损测量;基于分裂腔结构的双波段测量系统可用于薄板型(厚度<5 mm)、低损耗、低介电常数介质材料在低波段(例如L和S波段)的测量。以上三种器件对相对介电常数的测量误差不超过2%。双模介质谐振器和改进型TE01n圆柱谐振腔对损耗角正切的测量误差不超过10%,双波段测量系统在分裂式介质谐振器结构下介电损耗的测量误差有时会超过10%,这是由介质样品能量填充因子过小导致的。