为了实现Ka波段回旋行波管高纯度TE₀₁模式输入，通过在输出口添加滤波结构，对二级功分TE₀₁输入耦合器进行改进，改进后杂散模式传输效率由平均7%下降至2%。该结构主体为一个级联的两级Y型功分网络，能高效地实现矩形波导TE₁₀模式到圆波导TE₀₁模式的转换。在基于传输线理论对功分网络的传输性能理论分析的基础上，借助三维电磁仿真软件进行多次优化迭代，最终得到了一个在31 GHz附近模式转换效率大于99%的宽带TE₀₁输入耦合器, 该输入耦合器具有5 GHz的−0.1 dB插入损耗带宽，同时有效频带内的平均模式转换效率高达98.6%，模式纯度在99%以上并且回波损耗小于−15 dB。采用矢量网络分析仪对该器件进行了背靠背冷测实验，结果表明，其带内衰减约为0.5 dB，与仿真计算结果偏差较小，符合工程实际需求。

通过理论研究和粒子仿真（Particle in Cell，PIC），设计了一支工作在基波TE01模式下，采用周期性介质加载（PDL）波导的220 GHz回旋行波管（gyrotron traveling wave tube，Gyro-TWT）。通过研究寄生振荡的起振阈值和加载介质环，成功抑制了寄生振荡（绝对不稳定性振荡和返波振荡）。分别采用了非线性理论程序与粒子仿真对注波互作用进行研究，对比了两种结果基本一致。PIC仿真结果显示，优化后的回旋行波管，工作在220 GHz时，在输入70 kV和3 A电子注的情况下，饱和输出功率为55.61 kW，对应的效率为26.48%，饱和增益为53.56 dB，-3 dB带宽为12 GHz。

利用线性和非线性理论研究了电子注偏心对0.22 THz回旋行波管注波互作用的影响。基于色散方程研究了电子注偏心对线性增益、绝对不稳定性的起振电流和返波振荡的起振条件的影响。引入自洽非线性理论，分析了电子注偏心对输出功率和注波互作用效率的作用。同时，在考虑速度离散的情况下，研究了电子注质量对共焦波导注波互作用的影响。结果表明，电子注偏心会导致效率的降低。

研究了双共焦波导回旋行波管高频结构的电磁特性。根据惠根斯原理的光衍射理论，分析得出双共焦波导中的两类本征模式（叠加模和环形模）对应的截止频率和场分布情况。理论分析结果与商用仿真软件CST的仿真结果一致。其中用作回旋行波管工作模式的“反相叠加TE₀₆模”的损耗明显小于其他模式，这种不同模式损耗不同的特性将有效抑制竞争模式带来的寄生振荡。双共焦波导的模式密度略大于传统单共焦波导的模式密度，但是明显小于圆波导的模式密度，因此双共焦波导适合用作回旋行波管的高频结构。

输入耦合器是回旋行波管的重要组成部分之一，其作用是将矩形波导TE₁₀模式的信号，通过模式变换结构转换为回旋放大器件中的模式，输入耦合器性能的优劣直接影响了回旋管整管的带宽等性能。通过对W波段TE₀₂模式回旋行波管的输入耦合器进行理论分析，指出影响主模传输损耗的一个因素是杂模的崛起使主模的传输系数降低，利用仿真软件进行仿真，通过优化耦合孔的尺寸，抑制杂模的产生，将损耗从3.9 dB降低到了0.8 dB。根据优化尺寸加工，实际测试，得到3.0 dB带宽7.9 GHz的输入耦合器，与设计符合较好。