提出一种新型的低截止电压环形阴极聚焦极控电子枪结构。在传统皮尔斯电子枪和杆控电子枪基础上，创新性地将球面阴极设计为环形发射区和不发射锥体区两部分，以实现更低的聚焦极截止电压，降低调制器单元的开关损耗，提升最大调制频率。研究表明，在导流系数为0.53 μP 的条件下，通过引入不发射锥形体，使阴极的截止电压降低一半，截止电压幅值由1 250 V降至600 V，对应电源调制器的等效调制损耗降低为1/4，可使最大调制频率提高4 倍，对电子对抗和雷达等应用系统的性能提升具有重要意义。

提出一种改进的曲折槽波导—曲折双脊槽波导提高太赫兹行波管的功率和带宽.针对这种新型慢波结构设计了一种新的传输波导作为输入输出能量耦合器.从高频特性仿真结果可以发现曲折双脊槽波导可以提高耦合阻抗并扩展带宽.此外, 粒子仿真结果表明当电子注加载27.4 kV电压和0.25 A电流时, 新型曲折双脊槽波导行波管在中心频率340 GHz处输出功率能达到65.8 W同时对应增益27.21 dB.因此, 曲折双脊槽波导行波管可以用作宽带和高功率太赫兹辐射源.

真空电子器件的频率正向太赫兹频段发展, 折叠波导慢波结构是行波管的核心部件, 由于真空器件的尺寸与波长具有共渡性, 频率越高, 互作用结构的尺度越小, 加工误差的要求越严格。传统的加工方法很难实现如此微小尺寸的结构, UV-LIGA技术对于制造这种微型结构是一种很有前途的方法。用UV-LIGA方法制备真空器件的慢波结构, 涉及到两个主要的问题: 一是SU8厚胶匀胶过程中如何确保其厚度及其一致性;二是横向贯穿折叠波导中心的电子注通道如何成型。以220 GHz折叠波导为研究对象, 针对上述两个问题开展了相关的工艺试验, 使用特制的PDMS模具, 采用重力匀胶法, 实现了大厚度SU8胶匀胶, 表面平整, 高度一致。在SU8光刻胶中通过专用夹具, 嵌入透明有机丝, 形成细长电子注通道。而后, 采用脉冲电铸电源, 在硫酸铜电铸液中电铸, 获得了表面平整的无氧铜微结构。

介绍了静电聚焦方式在毫米波行波管中的独特优势, 分析了周期静电聚焦场的建立方法。基于某Ka波段行波管, 首先根据指标要求设计了强流电子枪并选择类梳齿状结构作为其慢波电路, 然后对电子枪和类梳齿状慢波电路组成的电子光学系统进行了模拟计算, 最后对慢波电路的关键尺寸进行了容差分析。结果显示, 在周期静电场的作用下, 电子注全部平稳地通过了慢波系统。良好的静态通过率为后续高效率的注-波互作用奠定了基础, 证明了利用静电场聚焦毫米波行波管中大电流密度电子注的可行性。

在耦合腔结构的高频特性模拟中，基于准周期边界条件法建立的双腔模型，由于两端电场的边界条件完全相同，导致了伪解的出现。本文建立了单腔仿真模型，消除了伪解存在的边界条件，避免伪解的出现。在保证求解精度的基础上，网格数目减少了 62%，总计算时间缩小了 56%，一次性生成色散曲线和耦合阻抗曲线，提高了色散和耦合阻抗的数据处理效率，为高频结构参数优化提供了更有效的途径。采用单腔仿真模型，模拟分析了各结构尺寸对高频特性的影响。

利用ANSYS软件对测量行波管电子注截面的法拉第筒探头进行了热分析研究。分析了在单脉冲情况下，测量各种直径的不同脉冲功率密度的电子注、不同脉冲宽度对法拉第筒温度的影响，研究了测量不同功率密度的电子注可以使用的脉冲宽度。结果表明，仅法拉第筒上的注斑区域温度迅速上升，温度梯度较大，其它部分温度基本不变，为保证法拉第筒能够持续正常工作，在单脉冲情况下，对于功率密度大于5×106 W/cm2的电子注，需使用宽度小于0.5 μs的脉冲，最好是0.1 μs和0.2 μs的脉冲进行测量，与文献结果相符。测量一定功率密度的电子注，需选择合适的脉冲宽度。另外，考虑热量的累积效应，分析了脉冲重复频率对法拉第筒工作温度和散热情况的影响。结果表明，脉冲重复频率设为10~100 Hz是比较合适的。

对目前慢波结构的模拟计算中存在的问题进行了深入分析,并提出了新的计算耦合阻抗的方法.研究了圆波导梳状慢波结构基波的耦合阻抗,其值可以在较宽频带内大于1 Ω.该结构内孔径为波长的1/4～1/3,是同一频段螺旋线慢波结构的5倍左右,能容纳比螺旋线大25倍的电流,能够承受比螺旋线大25倍的平均功率.互作用计算表明采用这种慢波结构的行波管在Ka波段可获得的最高功率达170 kW.

定义了相对论磁化运动等离子体(MMP)的物理模型.利用微扰理论导出了系统的介电张量,研究发现,MMP具有完全不同于静态磁化等离子体介电张量的形式.对电磁波沿轴向传播的情况进行了数值模拟计算,结果表明,系统的共振频率随等离子体密度的增加而非线性增加,在相同的条件下,右旋波的共振频率高于左旋波的共振频率.对于传播的右旋电磁波,增加纵向磁场,共振频率提高,而对于左旋电磁波,增加纵向磁场,共振频率降低.