基于单电子在电磁场中的运动理论, 对某过模微波器件, 用无箔二极管通过分析其导引螺旋管磁场和电子发射区电场的分布与相互关系, 证明了电子回流与电子束传输效率密切相关。效率实验研究表明: 对大尺寸导引磁场, 不同半径薄环阴极发射电子束电功率有较大区别; 如果电子束半径小于50 mm, 二极管效率大于95%; 如果电子束半径大于90 mm, 二极管效率小于75%。

设计了一种用于测量V波段过模高功率毫米波源在线功率的选模耦合器。利用小孔耦合理论和微元法对菱形耦合缝隙进行了理论分析, 采用两组相同的菱形耦合缝隙实现选模功能, 缩短了耦合器长度, 增加了工作带宽。采用数值模拟的方法对耦合器结构进行优化设计, 模拟结果表明: 在60 GHz频点处, TM01模耦合度约为50 dB, TM02模耦合度仅为75 dB, 对TM02模的抑制度为25 dB; 在500 MHz带宽内对TM02模的抑制度大于15 dB, 1 GHz带宽内的抑制度大于10 dB, 可满足工作于TM01模的V波段高功率毫米波测试需求。同时针对工作于高次模TM0n(n=2,3,4,…)的器件设计了可抑制TM01模的耦合器, 为高次模工作的高功率毫米波器件的在线功率测量和模式诊断提供了技术方案。

模拟研究了一种在均匀慢波结构后增加渐变慢波结构段的太赫兹过模表面波振荡器,获得了输出功率和模式纯度的显著提高。首先根据S参数方法,研究分析了这种复合高频结构中TM01模的谐振特性。然后采用2.5维PIC(Particle-in-cell)软件UNIPIC,模拟研究了振荡器输出性能随渐变慢波结构周期数的变化关系。结果表明：随着周期数的增加,输出太赫兹波中的TM02和TM03等高次模成分降低,TM01模的功率比例增大至80%以上；选择合适长度的渐变慢波结构,能使得器件输出功率增大50%。

实现输出模式控制和纯化是过模相对论返波管振荡器物理设计的关键.结合数值仿真和粒子模拟,对一种宽间隙反射器过模相对论返波管内的同频高阶模式激励及其抑制进行了研究,结果表明:模式转换和激励是同频高阶模式的直接来源,合理优化慢波结构、反射器和二极管参数,抑制由工作模式向高阶模式的转化效率,调整由二极管区反射回束波互作用区的模式相位,实现了过模相对论返波管的高效率工作和高模式纯度微波输出;所设计的宽间隙反射器过模相对论返波管输出微波功率中TM01模式的比例高于98%,功率转换效率约40%,工作频率为9.87 GHz.

初步研制了一种用于300~400 GHz频段的亚毫米波大功率脉冲探测器。基于强电场下的热电子效应，将n型硅探测芯片置入波导WR10的宽边，构成了探测器的过模探测模块。采用光刻和电镀工艺完成了探测芯片的加工，实现了很好的欧姆接触和尺寸精度。对集成的探测器样机进行了亚毫米波大功率脉冲测试和电压驻波比测量。结果表明: 探测器样机的响应时间快达ps量级，相对灵敏度约为0.46 kW-1，电压驻波比小于2.4，最大承受功率不小于数十W，与模拟结果符合得较好，满足亚毫米波大功率脉冲的直接探测需求。

模拟研究了过模矩形波导WR10中n型硅探测芯片对TE10模亚毫米波的响应。针对过模波导WR10中内置n型硅芯片的亚毫米波探测结构, 推导了基模工作时的灵敏度表达式。采用三维电磁场时域有限差分方法, 模拟计算了过模波导中300~400 GHz频带的TE10模亚毫米波与硅芯片的相互作用, 分析了探测结构中电压驻波比和芯片内平均电场随硅芯片参数变化的规律。结果表明, 在相同的芯片参数下, 过模探测结构并不影响电压驻波比和芯片内平均电场的大小, 但两者随频率变化的波动程度增大。在300~400 GHz工作频带内, 优化得到了性能较优的过模探测结构, 其电压驻波比不大于2.75(335~380 GHz频带内不大于1.8), 线性工作区的相对灵敏度约为0.127 kW-1, 频率响应的波动范围在±20.5%内, 最大承受功率约为0.53 kW, 响应时间为100 ps量级, 满足亚毫米波大功率脉冲的直接探测需求。

针对过模系数为2.3的高功率毫米波发生器设计了工作于高次模的谐振腔反射器。谐振腔反射器工作模式为TM035模式，在58~62 GHz频带内对TM01模式的反射系数大于0.9。运用2.5维全电磁粒子程序模拟分析了器件中束波相互作用过程，通过调整慢波结构与谐振腔反射器间的漂移段长度得到了器件在570 kV，6.0 kA电子注量驱动下，在引导磁场为4 T时，能辐射出功率1.06 GW、频率为60.2 GHz的毫米波，主要工作模式为TM01模，效率约为31%，起振时间为3.3 ns。

基于n型硅在强电场下的热电子效应，初步研制了一种采用过模结构的0.14 THz高功率太赫兹脉冲探测器。该探测器由基模波导WR6、过渡波导、过模波导WR10,n型硅探测芯片和偏置恒流源组成。模拟分析了探测器的工作过程，给出了相对灵敏度表达式，结果表明过模探测器能很好地工作在TE10模式。合理设计了探测芯片的结构参数和加工工艺，完成了探测芯片的加工和探测器样机的制作。将探测器样机在0.14 THz相对论表面波振荡器的辐射场进行了初步的验证性实验，并与二极管检波器的测量结果进行了对比分析。结果表明：过模探测器样机的响应时间在ps量级，相对灵敏度约为0.12 kW-1，最大承受功率至少为数十W，可用于0.14 THz高功率脉冲的直接探测。