自由电子与周围电磁环境互作用时可以通过不同的形式辐射电磁波。超材料是一种人工复合材料，可实现传统自然材料所不具备的电磁特性。基于超材料与自由电子之间的相互作用可以打破传统电磁辐射系统的限制，实现对辐射电磁波的极化、相位、波前等特性的灵活操控，这为发展新型的自由电子辐射器件提供了新思路。本文简单介绍了切伦科夫辐射、史密斯-珀塞尔辐射的产生机理，重点回顾了基于超材料的自由电子辐射的最新研究进展，并对未来的技术发展方向进行了展望。

研究了影响毫米波谐波回旋管互作用效率的多个因素, 通过采用三次谐波工作, 94GHz回旋管的工作磁场降低到了1.185T, 使采用永磁体取代超导磁体成为可能.利用自洽非线性计算和粒子模拟研究了回旋振荡管的注-波互作用过程, 发现了腔体品质因数与互作用效率的内在联系, 研究了工作电压和电子注横纵速率比对耦合强度的影响, 考虑了磁场渐变及电子注速度离散对互作用效率的影响, 通过选择合理的工作模式和系统参数, 当工作电压为40kV、工作电流为12 A、电子注横向速度离散为3%时获得了95kW的输出功率及19.7%的效率.当采用单级降压收集极后, 效率可以进一步提高到39.2%.

针对谐波回旋管互作用效率低的问题, 以自洽非线性理论为基本工具, 系统地分析了三个关键因素, 即互作用腔体长度(Q值)、电子注的横纵速度比和工作电压对二次谐波互作用系统性能的影响.研究发现当工作磁场选择在硬激发区时, 通过综合调节电子注的横纵速度比和工作电压能够获得较高的互作用效率.基于自洽非线性理论优化设计了一个W波段二次谐波回旋振荡器, 粒子模拟(PIC)结果显示当电子注速度离散３％, 工作电压37 kV, 电流4 A时, 输出效率达到了39.5%.

介绍了W波段四腔回旋速调管放大器的设计.放大器工作在基膜TE01圆电模式，电子束工作电压70 kV，工作电流6 A，设计的双阳极磁控式注入电子枪，电子束纵横速度比1.5，速度零散小于4%.采用粒子模拟方法分析了各种参数对器件性能的影响.模拟结果显示，设计的放大器在电子束速度零散4%的情况下，增益35 dB，带宽800 MHz，输出功率100 kW，效率为23.8%.

螺旋波纹波导回旋行波管与采用光滑圆波导的回旋管相比，有较大的带宽。介绍了该类回旋行波管的非线性注波互作用理论。计算结果表明该理论计算结果与实际实验报道的结果基本符合，相应的电子效率达到29%，饱和增益达到37 dB，工作磁场0.21 T，电压185 kV，电流19 A。

螺旋波纹波导回旋行波管与采用圆波导的回旋行波管相比，有较大的带宽。介绍了它的线性注波互作用理论，并用该理论计算了不同的磁场与波导表面微扰幅度对Ka波段螺旋波纹波导回旋行波管线性增益的影响。计算结果与已报道的实验结果基本符合，说明该理论可以初步确定螺旋波纹波导回旋行波管的各项参数。

损耗介质环与金属环间隔加载的周期损耗介质波导能够有效地控制各种模式的衰减特性，这对于抑制毫米波回旋行波管放大器的绝对不稳定性和提高其性能具有重要作用.针对应用于Ka波段、TE01模的回旋行波管放大器的周期损耗介质加载圆波导，系统地分析了该周期系统与均匀系统间的模式映射关系.研究表明，当介质层厚度一定时，均匀介质加载波导中的高阶模式可以映射为光滑波导中的低阶模式，且相互映射的模式在中空区域的场型一致.周期系统中的模式表现出复合模式的分布.在一个周期中，介质段和金属段的模式分别映射为均匀介质波导和金属波导中的模式.明确周期介质加载波导系统与均匀波导系统间的模式映射关系是分析发生在这种复杂的互作用回路中的回旋电子脉塞注波互作用的前提，对简化其物理模型具有指导作用.

建立了由损耗段和铜段组成的波导结构的Ka波段二次谐波回旋行波放大器理论模型,并进行了非线性理论研究。基于稳定性分析,确定35 GHz TE02模二次谐波回旋行波放大器的基本工作参数:波导半径为1.02 cm,电子注工作电压为90 kV,工作电流为25 A,工作磁场为0.642 6 T,横纵速度比为1.2;然后通过模拟详细分析了工作电流、波导损耗和速度零散等因素对该放大器性能的影响。研究表明:在该结构中损耗段可以有效地抑制模式竞争从而提高输出功率和带宽;工作电流对输出功率的影响存在最大值;速度零散对输出功率有很大的影响。