受通讯、雷达、遥感等众多领域对Ku波段高功率微波潜在的应用需求,Ku波段高功率微波源技术的研究成为了当前高功率微波领域的研究热点。然而,对于传统的单模高功率微波源,随着微波频率的提高,器件的尺寸将逐步减小,因而在Ku波段,较小的作用空间使器件功率容量受到限制,造成了目前传统单模高功率微波源在Ku波段输出微波功率较低的现状。虽然采用具有过模结构的多波契伦科夫器件等高功率微波源可有效解决功率容量限制的问题,但是受其驱动电压高、引导磁场强、模式控制复杂的影响,严重限制了该类器件的实用性及应用前景。因此需要探索具有功率容量高、驱动电压适中、引导磁场低、工作模式相对单一的新型Ku波段高功率微波源来满足未来应用的需求。在此背景下,本文提出并设计了一种可工作在重频及长脉冲条件下的新型Ku波段同轴渡越时间振荡器。在低引导磁场、适中驱动电压条件下,该器件可输出GW级Ku波段的单模高功率微波。论文的研究内容主要包括了以下几个方面:首先,对同轴渡越结构的相关理论及特性进行了系统的研究。对比分析了同轴结构与非同轴结构的空间电荷特性,结果表明,采用同轴结构可以有效降低空间电势能、提高空间极限电流,有利于降低器件的工作阻抗、引导磁场及提高束波转换效率。通过同轴谐振腔高频特性的理论研究,得到了提高功率容量、实现体波工作以及近似求解N腔级联谐振腔谐振频率的方法。分别采用电子渡越谐振腔间隙的小信号理论及等效电路理论对调制腔的模式选择及输出腔的工作特性进行了研究,为器件的结构设计提供理论依据。其次,从渡越器件的电子束与射频场互作用产生微波的基本原理出发,结合低磁场导引的高频段器件对器件设计的要求,提出了一种新型的Ku波段低磁场同轴渡越时间振荡器,阐述了器件各单元的设计思想;重点对新型调制腔、前置反射腔及新型电子束收集极的作用进行了深入的分析,并对实现Ku波段器件在更低磁场条件下有效运行的方法进行了理论探索及论证,从物理上阐述了本论文提出的新器件在低引导磁场条件下实现Ku波段高功率微波输出的可行性。再次,论文采用粒子模拟程序对器件产生Ku波段高功率微波的机制进行了深入的系统研究,给出了束波相互作用过程中的详细物理图像。经优化,在引导磁场0.7 T,电压410 kV,电流8 kA的条件下,模拟得到了功率1 GW,频率为14.2GHz的Ku波段高功率微波输出,转换效率约30%。为了准确对实验结果进行预测,还通过结合实验条件开展了对器件的模拟研究,研究发现器件输出功率及频率与理想情况下基本一致。此外,还对更低引导磁场条件下器件的有效工作进行了探索,通过引入改进结构的阴极,使器件在0.3 T条件下,可输出功率为920 MW,频率为14.2 GHz的高功率微波,证明了器件在更低磁场(0.3 T)条件下有效运行的可行性。在完成Ku波段低磁场同轴渡越时间振荡器实验相关的工程设计后,在Torch01驱动源平台上开展了实验研究,在引导磁场0.7 T、二极管电压430 kV、电流8.3 kA条件下,可输出微波功率约790 MW,频率为14.3 GHz,脉宽26 ns,效率约22%。当进一步提高器件注入功率,在二极管电压500 kV、电流10 kA、磁场0.7 T条件下,输出功率约1 GW,证明了器件在低引导磁场条件下输出GW级高功率微波的能力。另外,还重点对器件内部非对称模式的激励与抑制问题进行了分析和讨论,并对新型电子束收集对于抑制非对称竞争模式的作用进行了实验研究,研究表明采用新型电子束收集极可有效抑制器件内部的非对称模式。最后,对Ku波段同轴渡越时间振荡器进行了拓展研究。在本论文所设计的器件的基础上,通过引入具有高反射系数的新型TM02模双谐振腔及在输出腔前加载谐振腔来提高器件的束波转换效率及降低器件的饱和时间。粒子模拟研究表面,改进后的低磁场同轴渡越时间振荡器在二极管电压380 kV,电流8.2 kA,引导磁场0.7 T的条件下,输出微波功率约1.15 GW,效率约37%,与改进前器件相比,该改进器件的转换效率得到较大幅度的提高;对改进前后器件的饱和时间进行了对比分析,发现在输出腔前引入谐振腔后,微波饱和时间得到了明显下降。另外,还基于同轴渡越器件结构设计了一种可工作在短脉宽、低重频条件下的无引导磁场Ku波段高功率微波源,相比于其他传统无引导磁场器件,该器件具有高功率容量、大空间极限电流及高转换效率等优点。