针对U型曲折线慢波结构带状注行波管杂模抑制和互作用效率提高等面临的挑战，提出了一种开口菱形超材料结构。在综合考虑电路单元谐振性能、与U型曲折线慢波结构之间的协调配合以及电路实现可行性和结构简单等因素，通过电路设计和数值模拟优化等具体措施相结合，探讨这种超材料对增强注波互作用表面电场和抑制电路振荡的效果。在Ka波段优化的结果表明，这种超材料在抑制杂波和改善注波互作用效率方面效果明显，对此类行波管稳定性提高具有重要意义。

回旋管在毫米波与太赫兹频段能够输出高峰值功率和高平均功率，具有重要的应用需求。本文基于回旋管束波互作用理论设计了一只140 GHz回旋管以用于磁约束聚变中电子回旋加热相关元件的测试和老炼，目标是实现最大输出功率不小于50 kW，具备脉冲工作及连续运行能力，且具有一定的频率和功率调节范围以适应测试的需求。根据设计结果开展了该回旋管的研制与测试，在阴极电压-37.2 kV，控制极电压-12.19 kV，阳极电压+11 kV，束流3.4 A，工作磁场约5.3T下获得最大脉冲输出功率56 kW，功率可通过工作电流和磁场进行调节，同样的调节手段还可以使频率获得约80 MHz的调节范围。重点对起振电流、功率曲线和频率曲线等进行了理论计算结果和实验结果的对比，二者获得了良好的一致。由于初步实验中观察到了大于50 kW连续波功率输出时窗片的过温现象，因此降低功率在20.3 kW开展了连续运行实验，结果表明在该功率下回旋管连续运行状态稳定，可以用于后续聚变元件测试和老炼工作的开展。

透明阴极技术对相对论磁控管振荡启动过程具有显著影响，但其加速启动过程的作用机理仍有待深入研究。对采用扇形单元透明阴极的L波段相对论磁控管进行数值模拟，分析了场分布模式和带电粒子空间运动规律，发现透明阴极与实心阴极在磁控管振荡启动过程的差异。可见透明阴极带来的静电场角向分量与外加轴向磁场引起的洛伦兹力，对初始工作状态的电子具有向阳极加速漂移的作用。采用透明阴极的相对论磁控管的电子轮辐外缘更贴近阳极，群聚电子在轴向上具有随距离连续变化的速度分布，使得电子与高频电磁场的能量交换更加充分。对扇形阴极单元的个数与张角组合的匹配效果进行了模拟，给出了磁控管振荡建立阶段静电场角向分量对阴极电子发射与漂移运动的作用规律。透明阴极的设计需要与磁控管慢波结构相匹配，以得到最优化的工作状态。

高频系统是行波管的核心部件，它会直接影响行波管的工作频率、带宽、增益等性能指标。为了获得更大的输出功率和更高的增益，对0.34 THz双注高次模折叠波导行波管的基本特性进行了研究，计算了双注折叠波导的色散特性和耦合阻抗，并与仿真结果进行对比，结果显示色散特性随频率升高差距增大，耦合阻抗在高频段匹配较好，并研究了损耗特性。利用CST仿真工作室对双注折叠波导的注波互作用特性进行了仿真，实现41.68 W输出。为了获得更高的输出，通过增大直波导高度，最终使输出功率提高了52.7%，达到63.12 W。最后设计了符合要求的盒型输出窗和模式转换器，验证了高频系统的传输特性。