结合实验模型，对 0.22 THz折叠波导行波管 (FWG-TWT)的电子光学系统进行数值模拟验证。首先对电子枪的工作机制进行细致研究和仿真验证，然后对电子光学系统(包括电子枪和周期永磁聚焦结构两部分)进行一体化建模，结合实际，合理设置仿真模型的工作参数及边界条件等。分析影响电子注流通率的关键因素，调整结构参数和束流参数，提高电子注的直流流通率。

分析和计算了互作用区折叠波导截面长宽比(b/a)、直边高度和电子束通道大小等结构参数对太赫兹波段折叠波导行波管工作性能的影响。结果表明：互作用区衰减常数随b/a的增大而减小,耦合阻抗和小信号增益则随b/a的增大先增加而后减小,存在最优值。电子束通道越大,衰减常数越大,耦合阻抗和小信号增益降低得越多。相对于电子束通道,增益和损耗对直边高度的敏感程度显著降低。因此为了提高器件功率容量,可适当增加折叠波导的高度；在保证电子束能够顺利传输的前提下,电子束通道越小越好。在折叠波导行波管的实际研制中,可依据具体的实验条件和要求,在适当的范围内合理选取互作用区各结构参数的值。

对于太赫兹微电真空折叠波导行波管 (FWG-TWT)放大器，高流通率是试验测试中首先需要达到的技术指标，是器件连续工作时高效束.波互作用的前提。电子光学系统包括电子枪、周期永磁聚焦系统 (PPM)和收集极。本文通过对电子枪的高品质束流的产生、 PPM对束流的聚焦 2个方面研究束流的直流流通率。首先依据 Vaughan迭代综合法初步选定电子枪的基本结构尺寸，然后通过粒子跟踪程序及PIC程序对电子枪的结构参数进行仿真优化，初步实现了 0.345 THz FWG-TWT放大器所需的束流品质；进行了电子光学系统的电子枪和 PPM的一体化数值模拟，研究了电子的直流流通率，最终流通率模拟结果达到 100%。

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。

通过理论和数值模拟方法，考虑金属粗糙度的情况下，研究了加工垂直度公差角在0～6°范围内变化时折叠波导慢波结构的工作性能，结果表明：金属波导表面的粗糙度增大时，慢波结构中电磁信号的传输损耗增大；垂直度公差角的增大也使得电磁信号的传输损耗增加，而且垂直度公差角所引起的结构变化会引起器件的电压工作点漂移、带宽降低等。

采用与同类商业软件比对的方法，在THz折叠波导行波管算例中对自编NEPTUNE3D程序的有限电导率模块进行有效验证和确认，包括冷腔损耗与计及损耗的热腔增益。比对结果表明：冷腔损耗计算相对误差在3%～4%左右，计及损耗的热腔最佳增益相对误差及最佳工作电压漂移相对误差均在2%左右。通过不同软件、冷腔损耗与热腔增益的比对，验证了有限电导率模块正确性和可靠性。此外，还对加工因素导致结构参数变化对冷腔损耗特性影响，做了规律性讨论。

采用理论分析与数值模拟相结合的方法，分别对140,220和345 GHz折叠波导行波管中的束流发射度的影响因素及其对直流导通率的影响进行了分析，总结了发射度随频率、结构参数和电子束参数的变化规律。研究发现，在太赫兹频段束流发射度直接决定着聚焦磁场的选取设计, 是表征太赫兹频段束流品质的一个重要参量。

针对THz频段微电真空器件波导壁面材料电导率及加工粗糙度引发损耗的模拟需求，研制了有限电导率模块，并将其添加进三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D。介绍了有限电导率的时域有限差分显格式及时谐场近似解方法，针对上述方法的优缺点，提出了基于扩散方程隐格式的有限电导率模块算法，该算法具备无条件稳定、普适性好的优点。利用矩波导常见电磁波模传输损耗算例，测试了自编的有限电导率模块，测试结果与理论值及同类商业电磁软件计算结果进行了比对，验证了模块的可靠性。利用添加有限电导率的三维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE3D，模拟了材料电导率以及表面粗糙度对0.22 THz折叠波导行波管性能的影响，模拟结果表明,材料电导率及表面粗糙度会显著降低器件输出功率和增益水平。综合色散关系、耦合阻抗、衰减常数等因素，给出了器件结构参数设计建议，并指出：通过增加电子束流、注入信号功率以及慢波结构周期数目等方式可一定程度上提高器件输出功率水平。

以理论推导和三维模拟仿真设计为基础，设计优化了0.22 THz折叠波导行波管电子枪、慢波结构、永磁聚焦系统、输入/输出结构、收集极等部分，并结合大量的工艺实验，探索和研究了各种精密加工方法和组装焊接工艺，最后完成了符合这些部分设计要求的高精度零件加工和组装焊接样品。

借鉴Khanh Nguyen提出的多束折叠波导行波管结构，设计出了可以有效抑制自激振荡的140GHz多束折叠波导行波管。利用PIC软件对双束微折叠波导行波管进行了仿真计算，并与单束模型进行了对比研究，结果表明行波管采用多束机制可以有效提高器件的增益，克服管子加工长度的困难,且有效抑制了管子的自激振荡。