毫米波频段是介于30 GHz到300 GHz之间,其频段高,所以可利用的频带宽,而且携带的信息容量大;波长介于1 mm到10 mm之间,其波长短,所以具有很强的穿透性。由于其宽频带波长短的特点,在卫星通信、空间探测、电磁对抗、定向武器等领域有着广阔的应用空间。而回旋管作为毫米波源的重要器件,对回旋管的研究具有深远的意义。自上世纪60年代由前苏联研制出第一支回旋管开始,对回旋管的研究掀起一股浪潮,大量科学家纷纷投入其中。当前,回旋管的研究趋势是朝着高功率、高频率的方向进行的。如果回旋管的工作模式为基模,那么要实现高频率和高功率输出是很困难的。因为,在高频率状态时,基模回旋管将面临高频结构尺寸小的问题,其功率容量有限,很难实现高功率输出。如果采用高阶工作模式,就可以增大高频尺寸和注波互作用空间,也就能够解决上述问题;另一方面,为了达到高功率输出,馈入的电子束能量势必增大,因而通过输出窗的电磁波能量和沉积在收集极中的电子束能量都会急剧增强。因此,对高功率高阶模回旋管的输出窗和收集极的性能研究和热分析是具有重要的意义。本论文研究了94 GHz下TE₀₃模高功率回旋管的输出窗和收集极的温度分布。对于高阶TE模,有角向非对称的TE_mn模和角向对称的TE_0n模。而对于高阶模回旋管,其输出窗的尺寸较大,仿真软件难以仿真完整的三维结构,因此需对结构进行角向对称处理。在HFSS中,通过对S参数的求解发现,对工作模式为角向非对称的输出窗进行结构对称处理是不适用的,因而选择的工作模式为TE_0n模。而后根据微波传输理论计算出回旋管工作模式为TE₀₃模,且窗片材料采用蓝宝石,通过HFSS对输出窗尺寸进行优化,得到窗片厚度为0.526 mm时,S₁₁参数为-52 dB,S₂₁参数为-0.03 dB;将优化后的模型导入到ANSYS Workbench中对输出窗进行稳态热分析,经计算可得当输入功率为100 kW时窗片的最高温度为286.71℃,最低温度为32.08℃,温度差大于窗片临界温度差,窗片会炸裂。为了保证输出窗安全工作,需要分析输出窗传输电磁波的临界功率容量,经计算得出临界功率容量约为57 kW。由于高功率回旋管通常采用脉冲方式工作,需要确保输出窗承受一段时间冲击,因此本文采用Comsol软件对输出窗进行瞬态热分析。当传输功率为100 kW、耐冲击时间达到120 s时,输出窗的温度分布趋于稳定。且当电磁波持续工作时间少于20 s,输出窗能安全正常工作。采用CST粒子工作室与CST多物理工作室对高功率回旋管的收集极进行热特性研究。首先根据电子回旋脉塞理论设计出磁控注入电子枪相关参数,并在MAGIC中进行优化;然后通过CST粒子工作室与多物理场工作室计算收集极上的温度分布,当电子束功率为275 kW时,收集极的最高温度为332.00℃;通过优化收集极模型和添加散焦线圈的方式降低收集极的温度,这两种方式得到的最高温度结果分别为258.00℃,330.00℃,最后将两种优化方式进行结合,得到收集极上的最高温度为248.00℃。