高性能实用化辐射源是太赫兹应用的关键器件, 利用周期结构电磁色散中的止带区域具有耦合阻抗高的特点, 电子注和电磁波能够高效互作用, 可以实现大功率太赫兹振荡器。带边振荡器(BO)相比于传统的返波振荡器(BWO), 可以实现大功率输出, 在 W波段能达到百瓦量级, 太赫兹波段能达到瓦级; 采用周期永磁聚焦系统, 可以实现小体积轻质量; 慢波结构尺寸短, 结构简单; 成本低, 具有批量生产能力。本文提出可构建 3π止带的交错子周期折叠波导慢波结构 (FWG SWS)和双频双模双向带边振荡器工作机理, 采用皮尔斯双阳极电子枪、周期永磁聚焦系统、金刚石输能窗以及高效率收集极, 设计和研发了频率在 100 GHz以上的几种带边振荡器, 实现了 100 GHz频段 140 W的功率输出, 120 GHz频段实现了 30 W的功率输出, 在 300 GHz实现了 1W以上的功率输出。

返波振荡器是一种重要的真空电子学太赫兹源，具有高功率、高工作频率和宽带调谐等特点。为提高圆形电子注与光栅慢波结构的互作用，提出一种双电子注嵌入矩形光栅的慢波结构，使电子注与光栅表面电场更好地充分相互作用，从而提高互作用效率和输出功率。通过数值求解和仿真计算其色散特性，结果表明，相比于相同结构参数的普通矩形单栅，该结构可以实现更高的工作频率和耦合阻抗。利用CST 进行PIC 仿真，优化结构和电子注参数，最终得到工作频率501 GHz,10.6 W 的稳定输出。研究成果为设计0.5 THz 的返波管提供了理论指导。

利用矢量有限元法,研究了加载右手材料和左手材料的对脊重叠鳍线的传输特性,重点讨论了金属鳍的厚度对其特性的影响,同时研究了材料对主模截止波长、单模带宽、主模和第一高阶模场结构及色散特性的影响。结果表明,加载左手材料时,主模截止波长几乎都比加载右手材料时小,主模截止波长和单模带宽随加载区域的扩大呈相反的变化趋势,主模场线和第一高阶模场线在加载区域的分布形状完全相反,色散特性相似。这些数值计算结果有助于新型微波和毫米波器件的设计。

设计了一种由六角形空气柱包层组成的C6v(六重旋转对称)全内反射型PCF(光子晶体光纤), 采用全矢量有限元法研究其基模色散, 数值研究结果表明, 在其他参数不变的情况下, 包层空气柱由圆形变成六角形后两基模偏振态会出现分离现象, 存在较大的模式双折射与较高的PMD(偏振模色散), 基模的波长色散在X偏振时与包层圆形空气柱时有相同的变化曲线, 说明包层空气柱形状对基模色散特性有较大影响。

对螺旋波纹波导回旋行波管的色散特性进行了研究，通过理论分析推导了螺旋波纹波导的色散方程。进一步对色散曲线进行了数值计算，并着重分析了几何结构参数变化对其色散特性的影响,由此得到了合理的结构参数。同时利用三维电磁仿真软件CST模拟计算了在该参数下螺旋波纹波导的本征模式并与理论结果作对比，误差小于3%。

构建了一种绝缘体-金属-绝缘体的表面等离子体激元的产生界面, 根据麦克斯韦方程组及边界条件, 分析了金属表面的色散特性, 同时利用时域有限差分(FDTD)方法分别模拟了Bow-tie纳米结构和矩形纳米结构在单光源辐射下的场增强效应, 以及双Bow-tie纳米结构分别在单、双光源辐照下的场增强效果, 通过对比分析模拟结果可发现, 在等离子体激元共振的场增强中电荷的尖端效应发挥着重要作用, 而且场增强幅度与纳米结构之间的距离有关, 只有当纳米结构之间的距离合适时, 才能使其获得最大场增强效应。

研究了同轴传输线中金属光子晶体的电磁特性, 在此基础上优化了一种适用于窄带高功率微波源系统的金属光子晶体TEM-TE11模式转换器。该结构通过沿传输线角向部分填充的金属光子晶体实现移相。采用数值仿真程序对L波段模式转换器进行计算, 在1.57 GHz中心频率上, 模式转换器转换效率为99%; 在1.533~1.609 GHz频率范围内, 模式转换器效率大于90%, 相对带宽4.8%。加工了TEM模式激励器和辐射天线, 并在微波暗室对模式转换器进行了小信号测试, 验证了模式转换器的性能。

为了研究混合导光双芯PCF(光子晶体光纤)的色散特性和耦合特性，设计了一种基于全内反射和光子带隙效应两种导光机制的混合导光双芯PCF。以耦合模式理论为基础，利用有限元法和平面波展开法分析其有效折射率、耦合长度和色散特性，并对定向耦合器和光波长选择器进行了研究。仿真结果表明，该混合导光双芯PCF具有大负色散特性和良好的耦合特性。研究成果对双芯PCF的耦合特性、传感特性的理论研究及其相关器件的实际应用具有重要的参考价值。

在同轴传输线内外筒之间引入金属支撑杆，建立了同轴传输线中二维金属光子晶体的物理模型。利用等效电路方法分析其传播情况，通过低频和高频近似得到了两个特征频率。其中，金属光子晶体的第一个带隙从零频开始，到第一特征频率截止；第一个通带从第一特征频率开始，到第二特征频率截止；第一、第二特征频率与金属光子晶体的等效电参数相关。利用CST软件对模型进行了仿真计算，验证了等效电路分析结果的合理性。仿真结果显示，在沿纵向具有N个周期的有限结构中，光子晶体通带分裂成(N-1)个传输峰。并根据其电场分布得到了色散曲线。