为了提高传统交错双栅慢波结构行波管的性能, 提出了一种阶梯型交错双栅慢波结构, 并基于此新型慢波结构, 提出了新型输入输出耦合结构.在此基础上, 设计了一只工作在W波段的带状电子注阶梯型交错双栅慢波结构行波管.计算结果显示, 阶梯型交错双栅慢波结构行波管的耦合阻抗更高, 从而使行波管在更短的互作用电路长度里, 实现更高的饱和增益和互作用效率.在90~100 GHz频率范围内, 阶梯型交错双栅慢波结构的耦合阻抗大于4 Ω, 高于传统交错双栅慢波结构；W波段带状电子注行波管高频结构的反射系数(S11)小于-15 dB；并且行波管的饱和输入功率仅约为0.7 W, 可以实现最高输出功率约800 W, 相应的效率大于7.8%, 增益大于30.6 dB.

针对新型螺旋线慢波结构——双矩形螺旋线慢波结构, 即在金属屏蔽框内平行加载两个具有矩形横截面形状的自由螺旋线慢波结构, 利用三维电磁仿真软件对其高频特性(色散特性和耦合阻抗)进行模拟研究。结果表明: 在相同位置处, 与单矩形螺旋线慢波结构相比, 双矩形螺旋线慢波结构色散特性变化很小, 却有着更高的耦合阻抗; 同时, 在包含这些位置的空间部分, 可采用带状电子注与该慢波结构进行注波互作用, 使输出功率进一步得到提高。

利用三维粒子仿真软件,对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用振荡器进行了模拟仿真设计.采用宽高比为30∶1的带状电子束以降低空间电荷效应,选择多间隙耦合腔为高频结构以增加器件功率容量,在电子束电压为400 kV、束流为2 kA、轴向引导磁感应强度为1 T的情况下,器件输出微波功率为240 MW,频率为30 GHz,效率为30%.

提出并研究了一种带状电子注矩形单栅返波振荡器.首先研究了矩形单栅慢波结构的色散特性和耦合阻抗特性,然后粒子模拟并优化设计了带状注矩形单栅高频结构,预群聚腔及输出一体化结构.研究结果表明:利用电压200 kV、电压2 kA、截面为24 mm×0.5 mm的带状电子注,驱动该矩形单栅返波振荡器,能够产生42 MW的输出功率,工作频率86 GHz,效率为10.5%.

利用理论分析和仿真模拟相结合的方法对带状电子注的产生进行了系统的研究,并提出了一种带状注电子枪的设计方法.首先通过理论分析,提出了一种计算带状注电子枪结构参数的迭代算法,即根据注电压、注电流、电子注注腰处半厚度、阴极半厚度和阴极宽度,计算出带状注电子枪的阴极柱面半径、阴阳极间距、阳极柱面半径和射程等主要参数；在此基础上,通过仿真模拟,为毫米波真空电子器件设计了一种带状注电子枪.

设计了一种工作在W波段的振荡器。采用宽高比值为2的薄矩形电子注降低空间电荷效应，周期耦合腔慢波线作为高频结构以增加功率容量，阶梯渐变矩形波导作为输出结构，使输出结构与高频结构匹配连接减少反射。利用三维PIC粒子模拟程序进行数值模拟，分析慢波结构的周期数及周期长度对输出功率、频率及效率的影响。结果表明: 当阴极电压为13.0~16.1 kV时，谐振腔能正常工作; 谐振腔周期数为9，阴极电压为15.7 kV时输出功率和转换效率最大，输出峰值功率大于1.9 kW，平均功率为980 W，频率为91.6 GHz，转换效率达25%，输出频率随谐振腔周期长度的减小而增大。

通过冷流模型理论对均匀场聚焦带状电子注的传输进行了研究, 结果表明, 通过增强聚焦磁场并提高电子注填充高度因子, 可以有效降低Diocotron不稳定性并实现长距离的稳定传输.结合理论研究, 对均匀场聚焦带状注电子光学系统进行了三维仿真设计与优化, 利用自主开发的二维非线性注波互作用程序SBK2D, 对W波段带状注速调管进行了初步分析, 结果为输出峰值功率69 kW、效率24%、增益37dB、3dB带宽100 MHz.研制出的具有高机械对准精度的带状注速调管电子束管, 带状注截面10 mm×0.5 mm, 且在电子注电压20～82 kV, 电流0.50～427A, 长度100 mm的漂移通道内电子注传输直流通过率达到98%以上, 高于之前在90 mm漂移通道内获得的95%的实验结果.

利用曲折波导慢波结构和一个长宽比为3∶1的带状电子注作为注-波互作用电路, 完成了对V波段大功率行波管互作用电路的设计。分析了带状电子注通道对高频特性的影响, 并在综合考虑色散和耦合阻抗的情况下得到了优化的结构参数。建立了3维的V波段带状注曲折波导行波管的电路模型, 并利用CST粒子工作室完成了注-波互作用的仿真研究。研究结果表明, 当工作电压和电流分别为17 kV和150 mA时, 带状注曲折波导行波管在58~62 GHz时的饱和平均输出功率大于160 W, 增益大于34.7 dB。

利用理论分析和数值计算的方法，研究了偏置磁极周期会切磁铁产生的、可用于带状电子束宽边聚焦的边聚焦场。结果表明:增加偏置长度，减小电子束通道宽度，增大磁极轴向长度可以在基本不改变边聚焦场在x方向上分布特性的前提下提高幅值；增大电子束通道的高度，增大磁极厚度均可以减小边聚焦场在x方向上分布曲线的曲率，但同时其幅值也会降低，该降低可利用前述方法予以补偿。在对带状电子束宽边聚焦进行束匹配时，可以先进行曲率匹配，再进行幅值匹配。在进行参数选择时，应合理选择束通道高度和磁极厚度的取值，以避免束通道内的边聚焦场在x方向上的分布出现曲率反向。