为满足太赫兹领域对大功率、宽带宽的太赫兹辐射源的需求，提出了一种新型交错双栅脊波导（RDSG）慢波结构。设计并优化了交错双栅脊波导返波振荡器的高频结构，同时对交错双栅脊波导和常规交错双栅的高频特性进行了仿真和对比，结果表明：当二者相速度接近时，交错双栅脊波导拥有更宽的“冷”通带带宽和更高的耦合阻抗。PIC仿真结果表明，在1 THz频段，交错双栅脊波导返波振荡器拥有超过175 GHz的可调谐带宽以及1.1 W的输出功率，比相同工作条件下的常规交错双栅结构输出功率了提高34%～42%。

针对U型曲折线慢波结构带状注行波管杂模抑制和互作用效率提高等面临的挑战，提出了一种开口菱形超材料结构。在综合考虑电路单元谐振性能、与U型曲折线慢波结构之间的协调配合以及电路实现可行性和结构简单等因素，通过电路设计和数值模拟优化等具体措施相结合，探讨这种超材料对增强注波互作用表面电场和抑制电路振荡的效果。在Ka波段优化的结果表明，这种超材料在抑制杂波和改善注波互作用效率方面效果明显，对此类行波管稳定性提高具有重要意义。

提出了一种悬置双微带曲折线慢波结构，介质基板悬置于封闭金属腔内，基板上下表面各镀有一条金属曲折线结构。该结构具有双电子束通道，电磁波具有对称的分布，因此，电磁波可以通过上下腔体与两束带状电子束互作用。通过仿真软件分析了其高频特性，设计工作电压和电流分别为2050 V和0.2 A，PIC仿真结果表明，在36 GHz处最大输出增益为26 dB，具有8 GHz的3-dB饱和功率带宽。实验测得该慢波结构反射损耗低于-10 dB，同时分析了慢波结构制备过程中影响传输损耗的主要因素。

为克服高欧姆损耗对发展毫米波频率的扩展互作用振荡器（EIO）的限制，本文开展了对于阶梯型射频电路的振荡起始特性研究。通过PIC仿真模拟、定量计算和理论分析，本文证明了一个被设计和制作的W波段EIO具有大幅度降低振荡启动电流的可能性。通过对间隙数、腔体尺寸、场分布、工作电压和表面损耗五个方面的优化，在电子注电压为17.5kV时，该EIO的振荡起始电流可降至0.43A。根据冷测实验结果，本文还对输出功率衰减进行了分析和预测。

多电子注集成实现微波放大是毫米波行波管获得大功率微波的一种实用化途径，研究了一种多注集成阵列梳齿型慢波结构（MCW）。该慢波结构具有天然的电子注通道，同时耦合阻抗明显高于单注的梳齿型慢波结构（DCW）。为了验证该特性，使用Ka波段三注集成阵列梳齿型互作用回路进行了仿真和实验研究。互作用电路的材料选取高电导率无氧铜，通过CNC铣削的工艺进行加工。冷测实验发现仿真和测试的结果具有很好的一致性，且在32~39 GHz的带宽内，S₁₁小于-15 dB。在仿真软件CST PIC工作室中，50个周期的慢波结构与三个电子注（每个电子注的电压为12.9kV，电流为67mA）进行注波互作用模拟仿真。仿真表明，MCW在32~36 GHz的带宽内比DCW具有更高的输出功率，增益和电子效率。该器件的最大输出功率约为132.8 W，相应的电子效率为5.12％，增益为41.2 dB，大于DCW的1.2%和25 dB。MCW行波管的高功率和高效率特性，使其在基于点对多点传输的毫米波无线系统中具有潜在的应用价值。

提出并研究了一种菱形曲折波导慢波结构。与传统的矩形曲折波导慢波结构相比，菱形曲折波导慢波结构在相同频带下拥有更大的尺寸，在相同尺寸下拥有更宽的带宽。同时提出了适用于这种慢波结构的输入-输出过渡结构和衰减器。在此基础上，设计了一种用于行波管的340 GHz菱形曲折波导慢波结构，并采用相速负跳变技术提高了其增益。模拟仿真结果表明，在加载电压为15.3 kV，电流为35 mA的圆形电子注的情况下，行波管在343 GHz的输出功率和增益分别达到8 W和33 dB，其3 -dB带宽范围为330～348 GHz。

基于本征函数法对G波段交错栅慢波结构的高频特性建立了理论模型，考虑空间谐波级数项收敛后，计算得到了色散曲线和耦合阻抗以及损耗参量并采用仿真软件对计算结果进行了验证。对比发现理论模型计算的高频特性与仿真结果吻合较好，色散误差小于0.1%，耦合阻抗误差小于10%，损耗误差小于10%，可信度较高。研究结果表明，该模型对于拥有任意交错距离和上下栅高度的双栅结构具有普适性，在两种极限情况下可分别化为对齐双排矩形栅和矩形波导栅慢波结构。交错栅高频损耗主要发生在注通道区域，槽区底部损耗最小。