建立了自洽的考虑波导璧损耗的折叠波导等效电路模型,用来计算该慢波结构周期TE10模式中各次空间谐波的相速度,耦合阻抗和线衰减系数.分析结果将会用到220 GHz折叠波导返波管一维束波互作用模型的计算中.当微波频率上升到太赫兹波段时,粗糙波导表面电流导致的壁损将不能再忽略不计.进一步研究表明,起振电流和输出功率水平将和损耗特性的计算密切相关.从原有模型发展而来的有损电路模型可以给出更准确损耗估计.建立了折叠波导慢波线三维谐振腔模型来验证本文的等效电路理论,有较好的吻合.采用了该理论导出参数的一维束波互作用模型和三维数值PIC方法同样有很好的一致性.

本文推导了基于模式耦合理论的方程组, 用于加快和简化折叠波导器件中矩形过渡结构的设计过程。作为功率耦合结构的一个重要组成部分, 两种常用的结构将被考虑用来匹配折叠波导慢波结构的矩形波导TE10模式和标准输出矩形波导中的TE10模式。通过比较发现, 在同样的反射水平下, 锥形过渡结构比阶梯过渡结构长得多, 但同时前者却自然具有更快的带宽和对结构误差不敏感的特性。作为算例, 设计了220 GHz折叠波导返波管中可能用到的阶梯过渡结构和锥形过渡结构, 并进行了误差分析。设计过程中用到的理论方法最终用数值模拟的方法进行了验证, 取得了很好的一致性。基于该高精度理论方法的设计耗时不过几分钟。

本文介绍了220 GHz折叠波导行波管电子束流光学系统的设计过程。总体来讲，该系统可分为收敛性皮尔斯电子枪、磁聚束段和单极降压收集极。对于一个工作在太赫兹频段的电真空器件而言，极其细长的束流孔道让电子注以较高的流通率穿过慢波结构变得十分困难。空间电荷效应，加工装配精度和热初速等原因都是限制流通率的重要原因。研发一个具有足够流通率的实用束流光学系统对于220 GHz折叠波导返波管的研制是迫切的且十分棘手的任务。通过理论方法和数值工具，系统的三个部分将先后被设计，以满足束波互作用分析提出的电子注要求。基于这样的设计和开展的误差分析，流通管样管成功封管并进行了初步测试。实验数据表明这样的束流光学系统可以产生15.4 kV，22 mA的电子注，并能以80%以上的流通率通过直径0.19 mm，长30 mm的束流管道。

作为140GHz共焦波导回旋行波管放大器设计中的一个创新部分，关于准光学注入结构的设计方法将详细论述.归因于高斯光束对频率扰动的欠敏感特性，这样的注入结构具有比传统波导插入耦合器更大的带宽.注入系统包括耦合天线、镜面变换器和波纹波导三个部分，最终在高于50%功率注入水平下达到6.8GHz的带宽，并克服了可能的寄生模式振荡和由加工误差导致的注入效率迅速下降的问题.

为了解决共焦波导回旋行波管现有输入结构带宽较窄的问题, 基于高斯变换, 为0.4 THz共焦波导回旋行波管设计了准光注入结构, 注入模式为HE06模。该结构由波纹波导模式变换器、高斯变换镜及接收天线构成。对整个注入结构进行了三维电磁仿真, 结果表明, 在回旋行波管8 GHz的工作带宽内, 注入效率大于50%, 最大注入效率68%。