本文采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长原位SiNx栅介质制备了用于Ka波段高功率毫米波应用的AlN/GaN金属绝缘体半导体高电子迁移率晶体管（MIS-HEMTs）。原位生长SiN_x栅介质显著抑制了栅反向漏电、栅介质/AlN界面态密度和电流坍塌。所研制的MIS HEMTs在V_GS= 2 V时最大饱和输出电流为2.2 A/mm，峰值跨导为509 mS/mm，在V_GS = -30 V时肖特基栅漏电流为4.7×10^-6 A/mm。采用0.15 μmT形栅技术，获得98 GHz的f_T和165 GHz的f_MAX。大信号测量表明，在连续波模式下，漏极电压V_DS = 8 V时，MIS HEMT在40 GHz下输出功率密度2.3 W/mm，45.2%的功率附加效率（PAE），而当V_DS增加到15 V时，功率密度提升到5.2 W/mm，PAE为42.2%。

基于TE01圆电模研究了椭圆型准光模式变换器，并提出用于快速设计椭圆结构准光系统的修正公式。利用修正公式设计的准光系统由椭圆型Vlasov辐射器与准抛物面镜组成。计算仿真结果表明，该椭圆体系所辐射的波束具有辐射方向性更好，副瓣增益更低的特性，并且其尺寸相比于传统的圆体系更小。

谐振腔作为速调管的高频互作用电路，其特性对速调管的功率、效率、增益和带宽等性能具有决定性影响。主要介绍了某Ka波段分布作用速调管谐振腔的设计过程：基于多间隙谐振腔理论，利用电磁仿真软件CST详细分析了谐振腔不同结构尺寸对特性参数，如品质因子、特性阻抗、耦合系数、有效特性阻抗的影响，优化得到谐振频率为35 GHz的五间隙谐振腔的物理结构模型，并给出互作用仿真结果，为Ka波段分布作用速调管设计及其高频注波互作用的计算提供重要的参考和依据。

为满足无线传能系统对高效率大功率毫米波功率源的迫切需求，开展大功率连续波速调管高效率技术研究，采用降压收集极技术实现速调管在效率上的有效提升。主要介绍了某Ka波段大功率连续波分布作用速调管（EIK）降压收集极的设计方案，包括注-波互作用后废电子能量分布及行为特性的研究，收集极初始条件、结构及电极电压的设计，给出了单级降压收集极和两级降压收集极的设计和计算结果。三维粒子模拟（PIC）计算结果表明，该Ka波段连续波EIK采用单级降压收集极时回收效率为41.0%，采用两级降压收集极时回收效率为68.8%，EIK总管效率相比于未采用降压收集极技术时的27.5%上升至54.8%，表明通过降压收集极技术可有效提升毫米波大功率速调管工作效率。

电子光学系统是毫米波速调管长寿命和整管性能实现的关键，毫米波速调管零件尺寸较小，为了在Ka波段和W波段实现千瓦量级的输出功率，要求具有高的电子注通过率及低的阴极负荷。对Ka波段和W波段电子光学系统特性进行了分析，确定了Ka波段10 kW分布作用速调管和W波段1 kW分布作用速调管电子光学系统的设计方案，利用软件对电子枪和聚焦系统的结构进行计算，并采用CST仿真软件对设计的电子枪发射的电子注在聚焦磁场中的状态进行优化。设计出的Ka波段速调管电子光学系统，电子枪工作电压26 kV，发射电流2 A，互作用区长度30 mm，磁场强度大于0.6 T，流通达到100%。设计的W波段速调管电子光学系统，电子枪工作电压17 kV，电流0.65 A，互作用区长度20 mm，磁场大于0.9 T，流通达到100%。已制成Ka波段速调管和W波段速调管，设计的电子光学系统能够满足速调管工程化需求。