给出了一种十字交叉型TE□10-TE○01宽带模式转换器的设计原理, 同时完成了一套W波段低损耗输入耦合系统的设计方案。根据该设计方案在电磁模拟软件HFSS中建立三维模型进行优化仿真。得到了衰减为0.14 dB、最大驻波比为1.388、带宽为10 GHz的高性能TE□10-TE○01宽带模式转换器。同时计算得到整套传输系统的衰减小于1 dB, 远小于采用矩形波导TE10模式的衰减(约15 dB), 大大提高了传输效率, 降低了能量损耗。实际加工得到了一对模式转换器, 经测试可得其衰减为1 dB左右, 整套系统的衰减约为3 dB, 与矩形波导(衰减约为15 dB)相比, 有了很大的提高。

为了解决目前3 mm回旋行波管所使用的蓝宝石输出窗因功率容量不足而发生破裂的问题。从抗热震性和功率容量两个方面出发，对常用的几种窗片材料进行了对比。在国内首次以微波等离子体化学气相沉积金刚石为窗片材料，利用数值计算及ANSYS软件仿真设计了用于3 mm回旋行波管的低反射，低吸收，宽带宽，高功率容量的输出窗。结果表明，所设计的输出窗适用于TE01模式输出，其S11参数小于-20 dB的带宽为6 GHz。同时，该输出窗具有良好的抗热震性，在自然对流散热条件下具有61 kW的功率容量。

利用三维粒子模拟仿真软件，对共焦波导结构的0.4 THz回旋行波管进行了注波互作用的模拟研究。以共焦波导的冷腔色散以及衍射损耗入手，最终选定HE06模作为互作用工作模式。为了对寄生振荡进行抑制，在互作用结构中引入了截断。在模拟过程中，通过调节束压、束流、工作磁场、电子束横纵速度比，得到了最优的工作参数。最终，在束压34 kV、磁场14.25、束流2 A、横纵速度比0.75的工作参数下，当输入信号为1 W时，得到了最高2.76 kW的功率输出，增益超过34 dB，3 dB带宽为8 GHz，效率达到4%。

根据拉格朗日方程对电子在平滑会切磁场中的径向波动与速度零散的关系进行讨论。运用Matlab, Magic软件相互结合的方法设计电子枪结构和磁场。用Matlab程序模拟单电子在给定电场、磁场中的运动, 分析了单电子径向速度对零散的影响, 并优化磁场分布。设计的磁场可以有效地减小单电子束径向速度, 降低电子束速度零散。用Magic软件对电流为1 A、能量为30 keV的电子束在优化磁场中的运动进行仿真, 得到的电子束速度比约为2, 速度零散小于2.5%, 轴向速度零散小于8.5%。

完成了Ka波段基次谐波TE01模回旋行波管的初步设计,通过PIC模拟计算获得了回旋行波管稳定工作的详细物理图像和参数依赖关系.模拟计算表明,在电子注电压为100kV,电子注电流为20A,工作磁场为1.27T时,放大器可以获得大于450kW的输出功率、50dB增益、大于22.5%的效率和约为5%的带宽.

绝对不稳定性是制约回旋行波管性能的主要因素之一.通过回旋行波管色散方程,详细分析了W波段基波回旋行波管绝对不稳定性的形成和特征,提出了采用多段损耗波导来抑制绝对不稳定性的方法.分析表明,绝对不稳定性的起振存在一定阈值,起振电流对电子注参数和电路参数极其敏感,确定起振电流是稳定器件工作的前提条件.通过PIC模拟,给出了采用无损耗波导结构,且工作电流为25A和10A条件下的放大器频谱图和功率图,结果表明绝对不稳定性的出现与否主要由工作电流是否超过起振的阈值电流决定,损耗波导是抑制绝对不稳定性的有效手段.

对8 mm基波回旋行波管放大器进行了研究.通过稳定性分析,选定了放大器的工作参数.利用PIC粒子模拟程序对放大器中的电子注-波互作用过程进行了详细的分析和讨论,获得了回旋行波管稳定工作的物理图像,完成了8 mm基波回旋行波管放大器高频系统的初步设计.模拟结果表明,在优化设计条件下,放大器可以获得大于450 kW的输出功率、50 dB增益、22.5%的效率和大约5%的3 dB带宽.