结合实验模型，对 0.22 THz折叠波导行波管 (FWG-TWT)的电子光学系统进行数值模拟验证。首先对电子枪的工作机制进行细致研究和仿真验证，然后对电子光学系统(包括电子枪和周期永磁聚焦结构两部分)进行一体化建模，结合实际，合理设置仿真模型的工作参数及边界条件等。分析影响电子注流通率的关键因素，调整结构参数和束流参数，提高电子注的直流流通率。

在研究0.14 THz折叠波导行波管中, 提出一种三段相速跳变的设计, 使得电子能够在输出段与行波场发生速度再同步, 从而提高了电子工作效率。根据色散公式, 找到一种影响相速变化的结构因素。通过优化设计进行大信号程序计算, 在电压14.95 kV、工作电流30 mA时, 与未采用相速变化的结构相比, 140 GHz时功率提高了0.84 W, 效率提高了9.13%; 在142 GHz时功率提高了0.88 W, 效率提高了10.4%; -1 dB带宽由原来的5 GHz提高到7 GHz, 扩展了行波管的带宽, 提高了电子与波的互作用效率。

分析和计算了互作用区折叠波导截面长宽比(b/a)、直边高度和电子束通道大小等结构参数对太赫兹波段折叠波导行波管工作性能的影响。结果表明：互作用区衰减常数随b/a的增大而减小,耦合阻抗和小信号增益则随b/a的增大先增加而后减小,存在最优值。电子束通道越大,衰减常数越大,耦合阻抗和小信号增益降低得越多。相对于电子束通道,增益和损耗对直边高度的敏感程度显著降低。因此为了提高器件功率容量,可适当增加折叠波导的高度；在保证电子束能够顺利传输的前提下,电子束通道越小越好。在折叠波导行波管的实际研制中,可依据具体的实验条件和要求,在适当的范围内合理选取互作用区各结构参数的值。

0.14 THz 折叠波导行波管是一种宽频带高增益器件，容易产生自激振荡，破坏管子的正常工作。在管内加入衰减器是抑制其振荡的核心技术。本文考虑了衰减材料的配比选择，以及结构形状的匹配，运用三维模拟软件对衰减器的吸收和反射特性进行计算，优化并研制出适合0.14 THz 行波管使用的衰减器。进行冷测后，其匹配和吸收特性都满足衰减器需求，为制作0.14 THz行波管放大器奠定了基础。

对于太赫兹微电真空折叠波导行波管 (FWG-TWT)放大器，高流通率是试验测试中首先需要达到的技术指标，是器件连续工作时高效束.波互作用的前提。电子光学系统包括电子枪、周期永磁聚焦系统 (PPM)和收集极。本文通过对电子枪的高品质束流的产生、 PPM对束流的聚焦 2个方面研究束流的直流流通率。首先依据 Vaughan迭代综合法初步选定电子枪的基本结构尺寸，然后通过粒子跟踪程序及PIC程序对电子枪的结构参数进行仿真优化，初步实现了 0.345 THz FWG-TWT放大器所需的束流品质；进行了电子光学系统的电子枪和 PPM的一体化数值模拟，研究了电子的直流流通率，最终流通率模拟结果达到 100%。

设计了一套0.22 THz折叠波导行波管电子光学系统，详细介绍了电子枪和周期永磁聚焦系统的设计过程，在电子枪电子束束腰与磁系统不匹配情况下，对磁场过渡区进行了优化设计，以此为基础利用磁场仿真软件对磁场进行模拟和优化，并把磁场位形代入电磁仿真软件进行电子束传输仿真，优化后的电子光学系统发射束流10 mA，阴极电压15 kV，束流通过率96%。通过实验验证，流通管束流通过率93%，高频样管束流通过率94%，与设计相符。高频样管实现连续波运行，功率大于0.4 W，3 dB带宽大于12 GHz。

行波管具有高增益、宽带宽、高输出功率等优点，但频率提升到THz 后，输出功率急剧降低，为此采用多注与功率合成的方式提高输出功率。对D 波段折叠波导行波管进行的理论与数值分析表明： 单束的3 dB 带宽为13 GHz(0.134 THz~0.147 THz)， 0.14 THz 处最大增益为20.88 dB；多束合成增益为20.6 dB，3 dB 带宽内合成效率不低于92%。通过微铣削的办法加工完成了2 路折叠波导，并对其传输特性进行测量，对比分析了测试与设计结果。并行多注行波管能够以单束小电流、低聚焦磁场方式工作，可有效提高THz 行波管的输出功率。

给出了太赫兹波段折叠波导行波管中考虑管壁欧姆损耗的带电子束扰动的色散方程。求解该方程可以得到器件中小信号增益的值。通过编制Matlab程序, 分析计算了不同工作点、不同折叠波导结构参数和不同工作频段时小信号增益的变化特性。计算结果表明: 适当选取工作点和结构参数, 可以获得最佳增益值; 考虑损耗后, 除了前向增长的辐射场外, 还会出现反向传输的静态波; 随着工作频段向高频方向延伸, 前向波的增益显著降低, 而反向波强度则增大。因此, 工作频率提高时, 为了达到一定大小的增益, 需要的折叠波导的周期数也相应增加。

通过理论和数值模拟方法，考虑金属粗糙度的情况下，研究了加工垂直度公差角在0～6°范围内变化时折叠波导慢波结构的工作性能，结果表明：金属波导表面的粗糙度增大时，慢波结构中电磁信号的传输损耗增大；垂直度公差角的增大也使得电磁信号的传输损耗增加，而且垂直度公差角所引起的结构变化会引起器件的电压工作点漂移、带宽降低等。

采用与同类商业软件比对的方法，在THz折叠波导行波管算例中对自编NEPTUNE3D程序的有限电导率模块进行有效验证和确认，包括冷腔损耗与计及损耗的热腔增益。比对结果表明：冷腔损耗计算相对误差在3%～4%左右，计及损耗的热腔最佳增益相对误差及最佳工作电压漂移相对误差均在2%左右。通过不同软件、冷腔损耗与热腔增益的比对，验证了有限电导率模块正确性和可靠性。此外，还对加工因素导致结构参数变化对冷腔损耗特性影响，做了规律性讨论。