过模O型Cerenkov高功率微波（HPM）产生器件在产生高功率、长脉冲和重频运行方面具有很大的优势。虽然通过模式控制一定程度上解决了大径向尺寸带来的模式选择的问题，提高了功率容量，但是这类器件在向更高功率发展时，还是遇到了金属高频结构射频击穿的问题。本论文围绕过模O型Cerenkov器件金属高频结构射频击穿这个关键问题，进行了相关的理论、仿真和实验研究。主要工作有以下几个方面：
　　1、分析了微波脉冲对金属高频结构的加热温升效应。建立了微波脉冲加热金属高频结构的热传导方程，通过格林函数的方法对热传导方程进行了求解，给出了加热温升的解析解。对于解析解不适用的情形，给出了数值求解的方法。通过文中的方法对HPM源不同材料高频结构的温升进行了求解，理论和Comsol仿真结果符合良好。该部分内容补充了HPM领域在高频结构热效应方面研究的缺失。
　　2、利用单粒子理论，求解了电子在圆波导TM01模式和外加磁场共同作用下的运动方程。通过数值方法求解计算了不同初始相位下在不同圆波导截面内电子的运动轨迹，结果表明：在过模O型Cerenkov器件中，初始发射的电子均具备回轰到波导表面的条件。初始相位对电子运动轨迹的影响较大、电子的初始能量小范围变化时对轨迹影响不大、初始发射角度对轨迹影响也不太大。以上结论是气体碰撞脱附形成局部高压的重要理论支撑。经射频场加速的电子具备相当高的能量，有可能造成金属表面结构的破坏，影响微波传输。利用PEGASUS软件对局部释气的扩散特性进行了模拟研究，结果表明：在100ns的脉冲时间内，气体扩散范围很小，集中分布在慢波结构表面。该部分内容完善了电子在不同类型波导、不同模场下运动的单粒子理论。
　　3、研究了存在等离子体时高频结构的色散关系。在推导中假设等离子体将高频结构全部浸润，忽略其运动。对色散关系进行了数值求解，分析了等离子体频率、等离子体厚度等参数对色散关系的影响。结果表明：对色散造成影响的等离子体密度下限大约为1×1016m-3，对应等离子体频率约为900MHz；等离子体会使色散曲线升高，对0模点频率影响很小，对π模点频率影响较大；数值结果与HFSS软件仿真结果和PIC粒子模拟结果相吻合。该部分内容有助于分析和理解等离子体对微波源工作的影响。
　　4、对行波和驻波型（类π模）冷腔试件的击穿规律进行了详尽的PIC粒子模拟研究。在场强最大的区域设置爆炸发射产生初始电子，采用气体碰撞电离的方式产生等离子体。通过粒子模拟得到了发生射频击穿的表面电场阈值。得到了等离子体对微波传输的影响以及试件表面场、周期数等对射频击穿的影响。模拟结果与实验结果相吻合，该部分内容对分析射频击穿的物理机制有重要意义。
　　5、开展了类π模型试件的冷腔击穿特性的实验研究。设计了不同表面场、不同周期数和不同纵向模式的击穿试件，并加工了不锈钢、黄铜、TA18、TC4和300M钢材料的试件进行实验研究。通过定向耦合器对试件前后的微波进行在线诊断，得到射频击穿对微波功率和脉宽的影响；通过残余气体分析仪（RGA）对击穿前后系统的气体成分进行诊断；通过气体微调阀对系统的真空度进行微调，研究真空度对击穿规律的影响。实验结果表明：对于X波段不锈钢材料的类π模型冷腔试件，当周期数大于5，试件表面峰值电场大于1MV/cm时，微波脉宽将受到很大影响，辐射微波功率也有所降低，当试件表面峰值电场继续增加时，带来的影响会越来越大；就射频击穿特性而言，TC4材料优于其他材料；在发生射频击穿临界值（1MV/cm）附近时，外加磁场会使反射峰值功率增加，微波脉宽变窄；类π模型冷腔试件的击穿阈值要高于行波型冷腔试件。实验结果对HPM产生器件的设计和射频击穿的机理分析有重要参考价值。