针对Danilov(2007)提出的高阶模式激励器纯度未知和设计思路模糊的不足，介绍了一种改进型螺旋分布孔高阶旋转模式激励器，以实现同轴TE1,1模式到圆波导TE5,3模式的高纯度转换。根据不均匀弦方程，编制了数值计算程序对同轴腔体结构参数进行了优化计算，使工作模式能够有效谐振。基于小孔衍射理论以及PEC表面的电场边界条件，详细研究了螺旋分布孔的排列方式和模式抑制器的工作原理。数值计算和仿真结果表明：在中心频率30 GHz附近，TE5,3模式激励器的模式纯度高达97.4%，转换效率为96.1%。设计的高阶模式激励器相对于Danilov的结构具有纯度高和紧凑的性能。

基于弯曲圆波导耦合理论和规则圆波导突变结构模式匹配法, 利用MATLAB软件编写的相关数值计算程序得到波导模式转换结构的优化参量, 最终使用CST软件对模型进行了仿真和验证.该系统主要由三部分组成: 一个TE01-TE01的过渡器, TE01-TE11和TE11-HE11的圆波导模式转换器.计算结果表明, 该TE01-HE11模式转换系统在24.13 GHz的频率有5%的带宽、转换效率超过了99%.计算结果、仿真结果和实物冷测结果是一致的.

基于模式匹配法编制了分析内壁刻槽TE11-HE11圆波导模式变换器数值计算程序; 采用该程序为工作频率为30.5 GHz的高功率速调管设计了一半径为16 mm的TE11-HE11模式变换器。计算表明该变换器在2.6%的带宽内转换效率在98.8%以上, 实验结果表明该变换器性能良好。

对真实磁场进行拟合，根据电子光学原理以及绝热压缩理论，运用EGUN软件，设计了工作模式为TE34,19的170 GHz回旋管双阳极磁控注入电子枪。最终得到的电子注速度比约为1.3，速度零散小于3%。分析了调节磁场位置、阴阳极间距、阳极间距等因素对电子注性能的影响。结果表明：电子注的速度比和速度零散对于这些影响因子的变化比较敏感,随着阴阳极间距以及阳极间距的增加，速度比逐渐减小，速度零散先减小后增大。设计的双阳极电子枪已应用于整管实验中。

针对蛇形圆波导变换器尺寸大和带宽窄的不足，提出了变周期蛇形圆波导模式变换器，以实现TE01到TE11模式的高效率转换。根据耦合波方程，编制了优化计算程序，对工作于30.5 GHz、半径为16 mm的变周期以及传统蛇形变换器几何结构分别进行了优化计算，得到了可实现最高模式变换效率的几何参量。计算结果表明：传统结构变换器最优长度长达1 056.97 mm,转换效率98.1%，90%以上转换带宽也仅为33%；变周期变换器最优长度为769.53 mm，转换效率为99.3%，90%以上转换带宽为5.9%。变周期结构相对于传统结构的模式变换器具有尺寸小和带宽宽的明显优势。测试表明所提出的模式变换器具有良好的模式变换性能。

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。

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%.

根据注-波互作用自洽非线性理论，编写了分析渐变复合腔的计算程序，通过该程序，获得了工作模式对为TE021-TE031的注-波互作用腔体和相关电磁参量的优化结果。应用粒子模拟软件对设计的复合腔进行了模拟，模拟与数值计算结果基本一致。根据计算结果研制了二次谐波回旋管,在加速电压57.5 kV、电流10 A下，测得其工作频率为94 GHz，输出模式为TE01，峰值功率和效率分别为156 kW和27.1%。计算、模拟和实验结果基本一致。

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%。