对平面梯形结构多间隙谐振腔的模式分布、特性阻抗、耦合系数以及工作稳定性进行了研究.在此基础上给出了W波段高峰值功率扩展互作用速调管高频互作用系统设计, 并采用三维粒子模拟(PIC)技术对电子的速度调制、群聚及其与高频场的相互作用和能量转换等物理过程进行了研究, 定量给出了放大器的功率、带宽、效率以及增益等关键技术指标.PIC结果显示: 在中心频率94.52GHz以及电压16kV、电流0.6A的电子注参数下, 最大输出功率达到1.8kW, 相应的增益和电子效率分别为47.7dB和19.4%; 扫频结果显示瞬时3dB带宽为210MHz.

设计了外Q值较小, 工作于高阶横磁TM310模的X波段速调管单间隙同轴输出谐振腔。用微波等效电路理论计算了高阶横磁TM310模情形六个漂移管的等效间隙中心位置, 由此计算腔内等效间隙中心到输出波导内横向膜片的等效长度。以MATLAB编程计算得到同轴谐振腔TM310模式加载矩形波导滤波器输出回路的间隙阻抗, 其结果与传统冷测模拟法计算结果吻合。验证了等效长度计算方法的正确性, 用于圆柱腔基模的传统微波等效电路理论能用于分析同轴谐振腔高阶横磁模式输出回路, 且比传统的冷测模拟法及场分析法更为快捷。

通过冷流模型理论对均匀场聚焦带状电子注的传输进行了研究, 结果表明, 通过增强聚焦磁场并提高电子注填充高度因子, 可以有效降低Diocotron不稳定性并实现长距离的稳定传输.结合理论研究, 对均匀场聚焦带状注电子光学系统进行了三维仿真设计与优化, 利用自主开发的二维非线性注波互作用程序SBK2D, 对W波段带状注速调管进行了初步分析, 结果为输出峰值功率69 kW、效率24%、增益37dB、3dB带宽100 MHz.研制出的具有高机械对准精度的带状注速调管电子束管, 带状注截面10 mm×0.5 mm, 且在电子注电压20～82 kV, 电流0.50～427A, 长度100 mm的漂移通道内电子注传输直流通过率达到98%以上, 高于之前在90 mm漂移通道内获得的95%的实验结果.

微波电真空器件随着频率的升高,不但聚焦系统难以实现，而且其输出增益和带宽都受到很大的限制,要解决该问题,建议采用扩展互作用速调管,采用分布作用谐振腔技术来扩展其工作带宽和提高增益。利用CST和粒子模拟(PIC)3维软件对其工作在Ku波段扩展互作用速调管进行了设计和仿真，在工作电压30 kV、束流8.5 A的条件下，聚焦系统采用幅值为0.48 T的周期反转永磁聚焦，在输入功率为5.1 W时，得到效率为23%，3 dB带宽为306 MHz,频带内最大增益为39 dB，其峰值功率为58 kW的微波输出。

对Wiggler聚焦带状注速调管电子注截面、聚焦磁场和直流通过率进行了测试，分析了Wiggler聚焦的特点，获得了提高Wiggler聚焦带状注束管直流通过率的调试方法。测试结果表明：同一组磁钢摆放方式不同，电子注的通过率会相差很大；聚焦磁场和电子注匹配不好时，会出现通过率为零的情况。不同周期的直流测试结果表明9 mm周期最佳，在磁场均匀性较差、电压较低的情况下都能获得良好的直流通过率。

扩展相互作用速调管(EIK)由多个重入式多间隙耦合腔构成, 毫米波段高功率微波源的需求推动了Ka波段EIK的研制.分别利用等效电路理论和场分析方法推导了由三个同样间隙构成的三间隙耦合输出腔间隙阻抗实部的计算公式, 然后应用等效电路方法获得了滤波器加载宽频带输出回路的基本参数, 应用场分析方法设计了冷测带宽达4.6%的滤波器加载三间隙耦合输出腔结构, 为宽频带EIK的研制打下坚实的基础.

给出了三间隙耦合腔输出回路的等效电路,利用等效电路确定了谐振频率及间隙阻抗矩阵。从间隙阻抗出发,结合双间隙耦合腔输出回路探讨了模式重叠的机制,并将其应用于Ka波段的三间隙耦合腔输出回路。基于能量守恒的观点得到了三间隙耦合腔输出回路的互作用阻抗频率特性,从而调整电路参数,使所研究电路的3 dB带宽达到了4.48%。

为指导光子晶体谐振腔的设计,运用3维电磁场仿真软件HFSS模拟了2维光子晶体谐振腔,分析了影响2维光子晶体谐振腔的主要特性参数,主要包括所插介质杆的排列结构、介电常数及其半径和间距.研究表明,在其它条件保持不变时,若增大介质杆半径,则同一模式频率没有同一的变化规律;若增大介质杆介电常数,则出现的规则模式减少,并且没有基模出现,同一个模式,频率明显降低;若增大介质杆间距,则计算的频率间隔减小,对其它参数影响不大,只是同一模式的频率略有减小.

带状注速调管可以在高频段实现高功率微波输出,电子光学系统是带状注速调管的关键部件.阐述了Wiggler双平面聚焦理论,设计了新型椭圆形柱面阴极和椭圆形聚焦极结构,阴极曲率半径为17 mm,长轴10 mm,短轴4 mm;聚焦极长轴28.8 mm,短轴10.4 mm.采用这种结构可以直接产生椭圆形带状电子注,且阴极发射电流密度较为均匀.设计了周期长度为8 mm,总长度为108 mm,中间带有凹槽并可以实现双平面聚焦的Wiggler结构,模拟显示电子注填充因子在75%左右,通过率达到100%.设计了新型的菱形收集极结构,电子轨迹在收集极内发散均匀.

设计了对有限宽带状注进行聚焦的周期永磁(PPM)磁场,利用E-GUN,SUPERFISH,MAFIA和PIC模拟软件,建立了计算具有平面对称结构的2维及3维电子光学系统模拟平台,并应用此平台对X波段、100 MW带状注速调管的电子光学系统进行了设计与模拟.结果显示,利用设计的PPM聚焦系统,当磁场周期为60 mm,入口处磁场为0.1 T时,在600 mm的传输距离下,电子注的通过率达到了99.6%.