为解决太赫兹( THz)行波管工作电流过小、输出功率低等问题，提出了基模多注工作模式的折叠波导行波管 (TWT)。首先，获得了基模多注折叠波导色散特性；然后，对基模多注折叠波导的传输特性进行了模拟计算；最后，完成了 0.14 THz基模多注折叠波导行波管的注波互作用特性分析。电子注参数为 12 mA，15.75 kV时，获得的 3 dB带宽为 25 GHz(128 GHz~153 GHz)，最大增益为 33.61 dB，最大峰值功率为 23 W；电子注参数为 30 mA，15.75 kV时，在 0.14 THz处获得了 38 dB增益，最大脉冲输出功率为 63.1 W。该方法能够有效增大 THz行波管的工作电流，提高互作用增益及效率、3 dB带宽、输出功率；在增益相同时，基模多注行波管可以做得更短、更紧凑。

行波管具有高增益、宽带宽、高输出功率等优点，但频率提升到THz 后，输出功率急剧降低，为此采用多注与功率合成的方式提高输出功率。对D 波段折叠波导行波管进行的理论与数值分析表明： 单束的3 dB 带宽为13 GHz(0.134 THz~0.147 THz)， 0.14 THz 处最大增益为20.88 dB；多束合成增益为20.6 dB，3 dB 带宽内合成效率不低于92%。通过微铣削的办法加工完成了2 路折叠波导，并对其传输特性进行测量，对比分析了测试与设计结果。并行多注行波管能够以单束小电流、低聚焦磁场方式工作，可有效提高THz 行波管的输出功率。

为了提高太赫兹行波管的输出功率, 提出了多个传输信号进行功率合成的方法。首先, 对D波段多注慢波结构进行设计及功分器的优化;然后, 通过微铣削工艺完成了两注THz折叠波导结构的加工, 加工精度满足实际设计要求;最后, 利用CST软件对该结构的冷测与互作用特性进行了分析。仿真结果表明: 该结构的S11值小于-20 dB, 实际测试值在-20 dB左右, 两者较吻合。冷测分析表明该结构具有22 GHz(16%)的冷带宽, 3 dB增益带宽为12.5 GHz。在各电子注的电压、电流、峰值输入功率大小分别为15.79 kV, 12 mA, 10 mW时, 单注结构获得了1.58 W的输出功率及22 dB的增益;而两路信号在互作用完成后, 获得了2.91 W的合成功率输出, 合成效率不低于90%。通过合成的方法可以有效提高THz行波管的输出功率。

为了提高THz行波管的输出功率, 通过并行多注和功率合成的方法, 完成了并行多注D波段折叠波导行波管的理论分析与数值模拟。计算结果表明: 单束行波管在0.135~0.157 THz频率区间具有很好的色散平坦度, 3 dB带宽为13 GHz, 0.14 THz处获得了20.88 dB的最大增益; 多束合成行波管在0.14 THz处获得了20.8 dB的合成增益, 3 dB带宽区间合成效率不低于92%。数值模拟表明该方法很好地实现了多路放大信号的合成输出。并行多注行波管具有输出功率大、单束电流小、聚焦磁场低等优点, 能够在低发射电流密度条件下实现大功率THz辐射。

从行波管工作的物理特性提出了一种获得折叠波导慢波结构参数的简单方法，给定工作频率和电压，能够获得折叠波导慢波结构的初始参数.设计了D波段的折叠波导结构来验证该方法，对其冷测特性如色散、耦合阻抗进行了分析.仿真结果表明，设计的折叠波导慢波结构在中心频率处具有较平缓的色散关系，在中心频率处耦合阻抗为3.5欧姆.在电子注电压为20.6kV，电流为15mA时，27mm(50个周期)的折叠波导慢波结构在220GHz具有13.5dB的增益，3dB带宽为11GHz (213~224GHz).同时讨论了折叠波导慢波结构的微加工工艺，并通过UV-LIGA工艺获得了实验样品.

在本课题组此前采用显式方法设计0.14 THz宽带折叠波导慢波结构的基础上，设计了一种0.14 THz瓦量级输出折叠波导行波管。通过CST MWS软件分析结构尺寸对冷测特性的影响规律来确定一组慢波结构参数，然后对电子枪、永磁聚焦系统、输入输出结构、衰减结构及收集极系统进行设计，最后经过CST PS软件进行整管热测特性仿真模拟。此过程不断迭代，最终找到一组结构参数满足频率在0.14 THz、输入功率为20 mW时，折叠波导行波管输出功率大于6 W。为了验证设计的电子光学系统的正确性，加工装配了一根流通管，并进行了流通率测试，测得流通率大于80%。

优化设计了一种220 GHz的折叠波导慢波结构的尺寸，对其冷测特性如色散、耦合阻抗和衰减进行了分析。理论分析和软件仿真结果表明设计的折叠波导慢波结构在中心频率处具有较平缓的色散关系，较高的耦合阻抗和较低的电路衰减。互作用模拟表明，在电子注电压为20 kV，电流为10 mA时，27 mm(50个周期)的折叠波导慢波结构在220 GHz具有14.5 dB的增益，3 dB带宽为16.3 GHz(211.9～228.2 GHz)。