随着高功率微波（High Power Microwave,HPM）应用领域的拓展,高功率毫米波器件的研究引起了广泛的关注,然而功率容量低和模式竞争等问题制约了毫米波轴向器件的发展。径向器件具有功率容量高和二极管阻抗低的优势,在Ka波段毫米波发生器应用方面具有广阔的前景。此外,考虑到渡越时间振荡器（Transit Time Oscillator,TTO）具有高功率、高效率、模式单一的特点,本文通过理论分析和粒子（Particle-in-cell,PIC）仿真等手段,研究了一种高功率、高效率、高功率容量的Ka波段径向渡越时间振荡器,并对器件的功率容量、欧姆损耗和径向缩比特性进行了分析,最终在实验中实现了Ka波段的高功率微波输出。论文研究为径向HPM器件向毫米波或者更高频段发展奠定了基础,主要研究内容包括以下几个方面:1、Ka波段径向渡越时间振荡器的理论研究。为了加深对径向电子束传输和径向谐振腔模式选择特性的认识,研究了径向强流电子束的空间电荷效应,结果表明电子束在沿径向传输过程中空间电荷效应减弱、空间极限流逐渐提高,电子束距离径向线内壁的尺寸减小可以有效提升空间极限流;对单间隙谐振腔内TM01模式的场分布进行研究,结果表明TM01模具有体波特性,有利于实现高效的束波互作用;基于小信号的电子电导理论,对N个间隙的径向谐振腔来说,（N-1）π/N模电场最容易被激励起来。随着N增大,（N-1）π/N模场和电子束之间可以实现更多的能量交换。2、Ka波段径向渡越时间振荡器的设计和仿真研究。基于理论研究的成果,通过PIC仿真提出了一种紧凑型Ka波段径向渡越时间振荡器,该器件通过径向TM01模实现高效的束波互作用,束波互作用区半径小于91 mm。在二极管电压400 k V、电流7.5 k A、导引磁场0.8 T的条件下,通过粒子仿真得到了功率1.12 GW、频率31.13 GHz的微波输出,束波转换效率37.3%,三维PIC仿真验证了器件中基本不存在非旋转对称模,器件的倒角处理可以将表面最大径向电场值从1.6 MV/cm下降到1.2 MV/cm,实现功率容量的有效提升。此外,采用四间隙3π/4模工作的提取腔来提高束波转换效率,在模拟中实现了效率大于40%的微波输出。最后,为了进一步提升器件功率容量,提出采用单间隙提取腔实现电子束与射频电场之间的多次能量交换,从而实现高功率微波输出的方案。在输出功率大于1.1 GW的前提下,单间隙提取腔径向渡越时间振荡器内最大径向电场仅为850 k V/cm。3、Ka波段径向渡越时间振荡器的特性研究。参数敏感性是HPM器件的一项重要指标,PIC仿真结果表明所设计的紧凑型径向渡越时间振荡器可以在360～480k V的电压范围内稳定工作,且二极管阻抗的最佳取值为53Ω。当径向导引磁场大于0.6 T时,磁场大小变化对器件性能影响较小。此外,考虑到TM01模的体波特性,当电子束厚度为0.5～1.5 mm,或者电子束偏移中心位置的距离小于0.5 mm时,器件能够稳定高效运行;欧姆损耗会降低束波互作用效率,并在谐振腔表面造成严重的腔壁损耗,降低器件输出功率,使得功率饱和时间变长。对不锈钢材料的径向渡越时间振荡器,器件输出功率下降到660 MW,降幅达41%;仅增大二极管内外半径,保证二极管间距和其他结构尺寸不变,这种径向总体尺寸的增加会使得径向渡越时间振荡器输出微波功率提高,束波转换效率不变,且器件功率容量得到有效提升。考虑到欧姆损耗的影响,径向总体尺寸的增加有利于削弱欧姆损耗的影响,使得器件的效率升高并趋于稳定。4、Ka波段径向渡越时间振荡器的实验研究。重点解决了径向电子束的稳定传输和大半径径向渡越时间振荡器中的微波提取问题,在二极管电压400 k V,导引磁场0.67 T的条件下开展高功率微波实验,得到频率31.35 GHz的微波输出。对微波模式进行分析,得到输出微波为旋转对称的TEM模,通过球带积分可求得输出微波功率达320 MW。随着导引磁场增大,线圈之间的电动力逐渐增大,会导致器件输出微波功率的不稳定性逐渐增加,最终选定磁场的大小为0.68 T,此时磁场大小足够约束径向电子束的稳定传输,保证器件效率,同时磁场的电动力冲击对器件性能影响较小。当二极管电压从350 k V增加到430 k V,器件的输出微波功率从130 MW增加到344 MW,此结果与仿真结果保持一致。