通过分析广义传输线理论中的模式耦合系数, 优化设计了一支94 GHz光滑缓变结构回旋管, 当电子注电压50 kV, 电流6 A, 横纵速度比1.4, 工作磁场3.548 5 T时, 在频率94.099 GHz处得到了41%互作用效率, 约120 kW的功率输出; 与折变结构回旋管相比, 缓变结构回旋管中的工作模式纯度提高约27 dB, 注波互作用效率提高约7%。基于自洽非线性理论计算的互作用效率与PIC模拟结果有较好的一致性。

利用场匹配理论，建立了具有突变结构谐振腔的级联散射矩阵.通过数值计算，完成了Ka波段TE01模回旋速调管的输入腔、群聚腔、输出腔的设计与制作.同时给出了一支Ka波段TE01模四腔基波回旋速调管高频系统和整管的优化设计方案.PIC模拟表明：在中心频率34 GHz、注电压70 kV、注电流11 A的情况下，获得了输出功率390 kW，饱和增益42.9 dB，电子效率50.6%，3 dB输出带宽360 MHz的结果. 通过样管的热测实验显示在34 GHz，注电压70 kV，注电流11 A，获得了301 kW的稳定输出脉冲峰值功率，41.8 dB的增益，39.1%的效率，285 MHz的3 dB输出带宽.

首先利用场匹配理论和传输级联矩阵建立多层介质窗的普遍分析方法, 对回旋行波管输出窗进行解析分析, 在理论分析和数值计算的基础上得到回旋行波管宽带输出窗的结构和尺寸; 然后利用三维高频分析软件HFSS进行仿真和验证.通过热分析和优化设计, 在Ka波段获得了平均功率容量达到50 kW, 反射系数小于-20 dB的带宽约为3.6 GHz的高性能新型宽带输出窗.冷测实验表明, 冷测结果与数值计算结果较为吻合.

通过对94 GHz基波复合腔回旋管中谐振腔结构、电子注参数以及注-波互作用过程的模拟计算研究,分析了复合腔回旋管的高频结构特性和工作参数优化问题。给出了基波H61-H62模式对复合腔回旋管的模拟设计结果。数值模拟结果表明:在电子注电压40 kV、电流5 A、电子横纵速度比1.3、工作磁场3.6 T 时,回旋管可获得78 kW 的输出功率和39%的互作用效率。

分布式介质加载技术已被成功应用于回旋行波管的高频结构，该结构对于回旋行波管的自激振荡起到很好的抑制作用。对采用分布式介质加载的Ka波段，工作模式为TE01模的回旋行波管进行了稳定性分析；计算了介质加载条件下工作和寄生模式的传播损耗，以及不同传播损耗下工作模式的起振电流；对不同介质加载条件和工作电流，给出了三个主要寄生模式的起振长度；在对介质加载回旋行波管工作和寄生模式稳定性综合分析的基础上，确定了介质加载厚度及相对介电常数等参数。利用优化设计的高频结构及介质加载参数，进行了整管热测实验，得到了输出功率160 kW，饱和增益40 dB，效率22.8%及3 dB带宽5%的回旋行波管。

利用自洽非线性理论对回旋速调管放大器中的电子注波互作用进行了时域瞬态分析，建立了多腔回旋速调管非线性理论，给出了相应的电子运动方程和复数形式的互作用瞬态场方程。给出并分析了一支工作在TE01模Ka波段四腔回旋速调管注波互作用的数值计算结果，当电子注电压为72.8 kV，电流为118 A，速度零散为5%时，可以得到335 kW的最大饱和功率输出，39.6%的电子效率及320 MHz的饱和带宽，与实验值相比较，二者较为吻合。

提出了可应用于94 GHz回旋管内部的TE6,2准光模式变换器.根据几何光学和矢量绕射理论编制了模拟其电磁行为的分析和优化程序.根据几何光学原理，设计了该模式变换器的初步结构参数，然后利用该优化程序获得了最优化的相关参数.优化结果表明，在94 GHz，该准光变换器功率转换效率约为85%，转换所得波束高斯含量高于70%.

为了研究回旋管工作模式的选择机理, 分析了圆柱波导开放式谐振腔、光滑同轴谐振腔和纵向内开槽同轴谐振腔相应波导的色散特性, 进而研究了这些谐振腔内模式竞争的问题。对同轴结构波导色散方程作了相应的数值计算, 结果表明,同轴谐振腔利用自身色散曲线与谐振腔内外半径比值的数值关系, 能够使在开放式谐振腔内无法工作的高阶模式在其内部稳定工作。最后, 以德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)研制的同轴回旋管为例, 进行了相应的分析计算,结果表明纵向内开槽同轴谐振腔相对于光滑同轴谐振腔更适合高阶模式的稳定工作。

在耦合波理论的基础上,研究了94 GHz回旋管内置TE03-TE02-TE01模式转换器和外接的TE01-TE11模式转换器。采用半径渐变微扰和轴线微扰几何结构以及不同的相位重匹配技术进行优化分析,得到了可靠的最优几何参量,设计出了紧凑、高效的94 GHz波纹波导模式转换器和蛇形线模式转换器。回旋管的热测实验中测出的模式样图表明,所设计的内置模式变换器有效地实现了TE03-TE02-TE01的模式转换。

通过对二次谐波低电压突变结构复合腔回旋管中谐振腔结构、模式竞争以及电子注-波互作用的研究,分析了高频结构特性、寄生模式的抑制和工作参数优化等问题。给出了3 mm 二次谐波低损耗TE02/TE03模式回旋管的模拟设计结果。计算采用了坡度磁场,互作用效率得到显著提高。PIC粒子模拟结果表明:在电子注电压25 kV、电流4 A、纵横速度比1.6、工作磁场1.72 T时,回旋管可获得37 kW 的输出功率,横向运动能量转换效率高达51%,器件效率为37%。