返波振荡器是一种重要的真空电子学太赫兹源，具有高功率、高工作频率和宽带调谐等特点。为提高圆形电子注与光栅慢波结构的互作用，提出一种双电子注嵌入矩形光栅的慢波结构，使电子注与光栅表面电场更好地充分相互作用，从而提高互作用效率和输出功率。通过数值求解和仿真计算其色散特性，结果表明，相比于相同结构参数的普通矩形单栅，该结构可以实现更高的工作频率和耦合阻抗。利用CST 进行PIC 仿真，优化结构和电子注参数，最终得到工作频率501 GHz,10.6 W 的稳定输出。研究成果为设计0.5 THz 的返波管提供了理论指导。

随着太赫兹通信技术的发展, 对于0.14 THz折叠波导行波管(FWTWT)的研究需求向着更高的功率和更宽的带宽发展。对双注行波管中的双路折叠波导慢波电路进行分析, 得到不同参数下的高频特性变化规律。并对双路折叠波导慢波电路的功率分配和功率合成效率进行分析计算, 得到功率合成效率96.3%。最后对双路慢波电路、功率分配/合成器和集中衰减器进行建模, 并对注波互作用进行计算。在高压15 kV和单注电子的发射电流为40 mA条件下, 得到0.14 THz频率下的合成输出功率为56 W, 增益为31.4 dB, 3 dB带宽为7 GHz。

相对于高阶工作模式的单腔回旋管,同轴腔回旋管具有缓解模式竞争,提高单模工作的稳定性,以及增大功率容量的优点,宜用于受控热核聚变中的电子回旋共振加热和电子回旋电流驱动而受关注.详细地研究了工作频率为 170 GHz,TE34,11模同轴腔回旋管的结构参数、电子束参数及腔壁损耗对注-波互作用的影响.首先对 170 GHz兆瓦级功率模式选择进行分析,给出了工作模式.再次,基于时域自洽非线性理论,编写了时域单模稳态注-波互作用程序,分析了电流、磁场强度和腔壁欧姆损耗对互作用的影响,并对工作参数进行了优化.模拟结果表明: 当电子束电流为 68 A,工作电压为 65 kV,引导磁场强度为 6. 58 T时,可获得 2. 18 MW的输出功率, 49. 23 %的效率,外腔壁上的欧姆损耗密度峰值为 1. 94 kW/cm2,内导体表面的小于 0. 15 W/cm2; 互作用效率随速度零散增大而降低,输出频率向下偏移; 电子注厚度对互作用也有相似的影响.

针对角向夹持的角度对数周期曲折线慢波结构，提出了展宽其工作带宽、降低其工作电压的新方法.通过翼片加载技术，可以对慢波结构的色散特性进行修正，从而使得其带宽得到有效展宽.通过数值模拟仿真，得到无翼片加载的慢波结构以及多翼片加载的慢波结构的3 dB带宽分别为2.5 GHz、3 GHz，工作电压分别为5450 V、4650 V.研究表明，翼片加载结构可以有效降低角度对数周期曲折线慢波结构的工作电压，以及展宽其工作带宽.

基于相位展开的欧拉大信号理论, 采用逐次逼近法推导得到场和AM/PM转换(输出相位对输入功率的导数)的大信号解析解。以一支Q波段毫米波行波管为例, 将大信号解析解与拉格朗日理论以及传统欧拉非线性理论进行对比。结果表明：大信号解析解的功率、增益和相移以及AM/PM转换与拉格朗日理论在线性区和中度互作用区十分吻合, 饱和增益最大误差小于8.5%。同时大信号解析解相较于传统的欧拉非线性模型具有更高的精度, 且能表现出饱和现象。

研究了G波段双注折叠波导(FWG)TE20QUOTE模的基本特性。首先计算了双注FWG TE20QUOTE模的高频特性, 采用等效电路法计算了色散特性；根据定义式计算了耦合阻抗, 同时将二者的计算结果与HFSS仿真结果进行对比。结果显示, 色散特性随频率升高差距增大, 耦合阻抗随频率升高差距降低。利用电磁仿真技术(CST)粒子模拟软件对双注FWG TE20QUOTE模的注-波互作用情况进行仿真, 得到了慢波结构中电子轨迹以及输入输出信号频谱图, 结果表明, 在工作频率为205 GHz时, 四段FWG的增益为34.74 dB。

通过仿真计算对平顶型正弦波导的慢波特性进行了分析研究,提出了一种可用于W波段大功率行波管的两段式平顶型正弦波导高频电磁系统,并完成了输入输出结构和集中衰减器的优化设计；利用粒子模拟方法获得了带状电子注与此结构中慢电磁波注—波互作用特性,计算结果表明该行波管在92~101 GHz的频率范围内可获得200 W以上的输出功率,增益大于30 dB.

提出并研究了一种具有结构紧凑、散热性好、输出功率大等特点的新型扩展互作用结构——径向扩展互作用振荡器(EIO), 并推导了小信号理论.利用电磁仿真软件分析了径向EIO高频结构中的谐振特性与场分布, 并采用三维粒子模拟软件开展了注波互作用研究.研究结果表明在工作电压为5 kV, 电流为8.48 A时, 所设计的径向EIO输出功率达到2.6 kW, 热腔工作频率为30.011 GHz, 效率为6.1%.