基于Smith-Purcell（SP）效应，采用粒子模拟的方法探讨了电子束团激发一维介质光子晶体中的SP辐射特性.模拟研究了单个束团激发一维介质圆柱光子晶体产生的SP辐射现象，并对周期束团激发的THz频段的相干SP辐射进行了模拟分析.研究表明，提高介质的相对介电常数和增加光子晶体的层数都可使辐射强度增加，选择合适的参数能够有效地增强THz频段的相干SP辐射强度.

设计了等离子体填充的二维金属光子晶体特殊开放腔体结构,并采用粒子模拟技术(PIC)建立了基于等离子体填充腔体结构物理模型,分析了等离子体填充下二维腔体的各模式场分布特性,以及等离子体的引入对腔体内各模式工作频率、电场幅值的影响。结果表明: 腔体内各模式的电场强度随等离子体密度的增加而减弱,模式频率随背景等离子体归一化频率的提高而增加,工作模式的产生与激励方式密切相关。

采用理论分析和粒子模拟相结合的方法,对连续电子注通过平板矩形光栅产生毫米波段史密斯-帕塞尔(SP)超辐射机理进行了研究.研究结果表明:选择恰当的电子注与光栅尺寸参数,光栅表面慢波将与电子注互作用,使电子注产生群聚,群聚的电子束团将在光栅表面产生史密斯-帕塞尔超辐射,其辐射频率为电子注与光栅表面慢波互作用同步点频率的整数倍,其辐射角度方向与史密斯-帕塞尔公式所预期的基本一致, 表面慢波由于光栅的有限长度也能在其端头以一定的形式辐射出去.

研究了预群聚电子束团沿周期性理想金属光栅表面平行移动时产生的史密斯-帕塞尔辐射(SPR)。详细分析了电子束团能量、束团群聚长度、具有不同电流密度分布的电子束团以及光栅结构对辐射特性的影响,同时研究了多个群聚束团的辐射。分析发现,电子束团能量增加、束团群聚尺寸变小以及光栅周期变短,辐射能量角分布峰值所对应的频率明显向高频方向移动;光栅周期与电子束团参量相同的条件下,三角形光栅辐射能量角分布峰值所对应的频率明显高于正弦光栅;群聚束团尺寸越小辐射能量越大,并且束团的纵向群聚长度对辐射能量与辐射频率起主要作用。研究结果表明,通过合理选择光栅尺寸与束团参量,可获得工作频率锁定的太赫兹(THz)波段辐射。

采用积分方法分析了线电荷串,沿周期性理想金属光栅表面平行移动时产生的史密斯帕塞尔辐射。分别对短周期光栅、低能量线电荷串与长周期光栅、高能量线电荷串的辐射情况进行了数值计算。相对单个线电荷而言,N个线电荷与反射光栅作用产生的辐射场密度,在频率是线电荷串调制频率的整数倍处出现最大,辐射谱宽变窄；随电荷能量增高,辐射能量向高频方向移动,并具有强烈的定向性；可以通过调节线电荷调制频率等参量实现辐射电磁波频率锁定。研究结果表明,对高能量与低能量的电荷参量,适当选择光栅尺寸与线电荷串间隔周期,都可使辐射波工作于太赫兹波段。

提出采用大口径、浅褶皱和短周期分段式慢波结构作为高功率毫米波绕射辐射振荡器的高频系统.采用通用理论对器件的色散特性进行了分析,用PIC方法对整体器件进行了模拟.在此基础上,开展了实验研究工作,测试了器件输出微波功率和频率.初步实验结果与理论分析和PIC模拟结果的趋势基本吻合.

用三维非线性理论,对高功率同轴波导Ubitron放大器进行了研究.该Ubitron放大器采用环形相对论电子注与同轴波导的TE₀₁模相互作用.通过数值模拟,在Ku波段得到了2.24MW的输出功率,其效率为10.9%,带宽为35%.数值计算结果表明:电子注的自场导致饱和功率减少,频带变窄,增益下降.使用摇摆器幅值渐变,器件工作效率从10.9%提高到12.3%.

以椭圆波导、平板摇摆器为FEM放大器的模型,导出了自洽的注波互作用三维非线性方程组.在此基础上编制了相应的程序.利用该程序分析了FEM放大器的饱和功率、效率以及带宽等高频特性.考虑了摇摆器渐变、空间电荷波、电子初始速度零散对高频特性的影响.