为了对扩展互作用振荡器(EIO)进行更为高效研究与设计，提出了一种非线性理论与数值模拟相结合的方法对其进行分析，编制了基于一维电子圆盘模型的数值计算程序，并结合MAGIC模拟结果对其准确性进行了讨论。非线性模拟中，35 GHz EIO输出功率为125 W，频率为35.01 GHz，对应的MAGIC模拟结果分别为100 W，35.11 GHz; 110 GHz EIO输出功率为220 W，频率为107.9 GHz，对应的MAGIC模拟结果分别为190 W，107.93 GHz。非线性方法使得模拟速度有了很大的提高，单次计算时间小于5 min，并且所得数据与传统软件模拟得到的特性曲线相比变化趋势一致、数值上也较为接近。

设计了等离子体填充的二维金属光子晶体特殊开放腔体结构,并采用粒子模拟技术(PIC)建立了基于等离子体填充腔体结构物理模型,分析了等离子体填充下二维腔体的各模式场分布特性,以及等离子体的引入对腔体内各模式工作频率、电场幅值的影响。结果表明: 腔体内各模式的电场强度随等离子体密度的增加而减弱,模式频率随背景等离子体归一化频率的提高而增加,工作模式的产生与激励方式密切相关。

采用数值计算方法,模拟了共轴环光子晶体缺陷微腔的谐振模式场分布,计算了此微腔的品质因数和功率损耗,并分析其几何参数对谐振特性的影响。以此缺陷微腔为基础构建周期性慢波系统,讨论了该系统的色散特性。结果表明,微腔中能够存在单一的谐振模式,微腔的纵向长度和介质环介电常数对谐振特性影响较大。所构建的慢波系统有较宽的慢波频域,且慢波比曲线较为平坦。增大电子注开孔半径和减小周期长度对于提高工作频率及增加带宽较为有效。

基于降低工艺难度的目的,提出了一种新型反绕双螺旋线慢波系统,该系统的正绕反绕螺旋线半径不等.利用3维电磁软件CST MWS仿真分析了结构参数对色散和耦合阻抗的影响.结果表明:耦合阻抗在螺旋带内半径较大时没有明显下降;减小螺旋带宽度有利于降低相速度和提高耦合阻抗;在一定范围内,相速度随螺距的减小而增大.在此基础上,结合工程要求设计了8 mm波段行波管的新型反绕双螺旋线慢波系统,耦合阻抗达到21 Ω,工作电压约为20 kV,同时由于电子通道半径较大,降低了对电子光学系统的要求;纵向翼片加载的引进较为有效地展宽了带宽.

对曲折圆形槽波导新型慢波系统的高频特性进行了研究,通过理论分析和数值计算,得到了它的色散曲线和耦合阻抗表达式,并分析了结构参数变化对色散特性和耦合阻抗的影响.研究表明:当周期变小时色散减弱,耦合阻抗增加;而增大直波导长度时色散变弱,但同时耦合阻抗也会下降.因此较小的周期有利于改善曲折圆形槽波导慢波电路的高频特性.鉴于这种电路的耦合阻抗较低,可以适当地减小直波导长度来提高耦合阻抗.曲折槽波导结合了曲折波导散热能力强、色散特性好、容易加工和槽波导单模工作、低损耗、大尺寸等优点,在毫米波及亚毫米波段的行波管中具有较好的发展前景.

为实现渐变螺距螺旋线慢波结构高频参数的高精度估计,基于MAFIA仿真平台,研究了螺距变化对超宽带螺旋线慢波系统(4～18 GHz)的色散、互作用阻抗与衰减常数的影响,获得了各高频参数随螺距变化的规律.研究表明:相速几乎随螺距增大而线性变大,互作用阻抗与螺距是非线性的关系,衰减常数随螺距增大而非线性地减小;由于在维持电子注与电磁波速度同步的限制下,螺距变化的幅度不可能很大,因此可近似按线性关系来处理互作用阻抗及衰减常数与螺距之间的关系.由此提出了一种可精确计算渐变螺距螺旋线慢波结构高频参数的方法线性插值法.

对于矩形栅这一经典的慢波结构,采用场匹配法来分析其慢波特性,进而得到其耦合阻抗.其中对槽区内的场处理,保留其高次项,表示为一无限本征驻波之和的形式.然后通过数值实例具体分析了矩形栅的两种典型结构:浅槽栅和深槽栅.当增大槽深后,色散增强,系统通带变窄,同时耦合阻抗有明显增大,工作点移向前向波区,适合用在放大器的慢波结构上.

从改善圆盘加载波导作为相对论行波管慢波结构的特性入手,加入同轴内导体,着重研究其小信号理论.利用场匹配法导出了"热"色散方程并计算求解,具体分析了系统的电子注参量及慢波结构几何尺寸对小信号增益及慢波相速的影响,为同轴圆盘加载相对论行波管的设计提供了理论基础.