带状注行波管作为一种发展中的新型器件在雷达和通信领域有广泛应用前景。相比于圆形注器件, 目前针对带状注行波管的注波互作用模型仍较少。本文针对交错双栅这一常用的带状注慢波结构, 从电路理论出发, 研究了由分布式的传输线元件和集总电路原件构成的混合电路模型在刻画高频率慢波结构上的适用性, 重点解决了从慢波结构几何参数到电路物理参数的映射问题。建立交错双栅混合电路模型, 推导了色散方程, 同时基于模拟退火算法实现了高精确度参数拟合。结果表明, 混合电路模型能够精确刻画交错双栅的色散特性。该模型对后续开发基于混合电路模型的带状注大信号注波互作用程序具有重要意义。

近些年来交错双栅行波管由于其高功率容量和易加工等优点受到了很多的关注.然而随着器件工作频率的升高, 尤其对于太赫兹频段, 结构的损耗严重限制了行波管的性能.本文考虑了损耗和加工所导致的圆角等因素, 针对交错双栅结构提出了一个更切实际的设计.仿真结果表明, 该行波管在320~342 GHz频率范围内能获得大于5 W的输出功率.采用了相速跳变方法来提高输出功率, 在整个工作频带内输出功率都得到了大于28%的提升.在此基础上加工了340 GHz交错双栅慢波结构并开展了冷测实验, 在330~360 GHz范围内盒型窗的S21测试结果大于-2.1 dB且电压驻波比在334~355 GHz范围内小于1.35.同时对包含盒型窗部件的高频系统进行了冷测, 其电压驻波比测试结果在335~344 GHz范围内均小于2, 且该冷测结果与仿真结果之间趋势基本一致.

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.

提出了一种220 GHz三级串联的交错双栅行波管结构,针对影响整体传输性能的核心部件--输入输出耦合器进行了详细分析,并以此为基础设计了串联交错双栅慢波结构.通过数值模拟分析,确定了一种由齿深渐变光栅和半圆同心弯头组成的新型输出输入耦合结构.整管粒子仿真结果显示慢波结构内部没有出现振荡现象,且在220 GHz达到了30 dB增益,3 dB带宽达到23 GHz,有效改善了该类串联结构由于多个电子注加载通道造成的行波管传输特性下降问题.

将矩形交错双栅结构作为慢波电路并提出与之配套的过渡结构和输出耦合器，设计了利用带状电子注工作在W波段的返波振荡器。提出的过渡结构和耦合器解决了该类直波导型器件的信号传输衰减大、反射强等难题。相对于传统圆形电子注器件，该器件得到了较大的功率提升。利用三维粒子模拟计算的方法，在电流12 mA时通过调节工作电压，在92~98 GHz频带内得到了数W的稳定平均功率输出，信号中心频率非常接近设计频率,且单色性好，谐波分量小。