高功率微波器件在雷达、电子对抗等方面具有重要的应用潜力，因此得到广泛的关注。然而，庞大的体积和重量，以及较低的效率和较短的寿命，严重限制了高功率微波的应用范围。提出了一种径向电子注驱动的同轴槽振荡器，该振荡器无需聚焦系统，从而能够大幅度减少体积和耗能。采用由外向内的径向电子注，阴极电流密度低，可以采用热阴极替代爆炸发射阴极，从而提高器件寿命。PIC仿真中，采用460 kV，6 kA径向电子注能够在3.8 GHz产生1.2 GW的输出，对应效率43.5%。

大功率行波管通常利用复合管壳提升高频系统的集成度和散热特性。宽带行波管采用复合管壳高频制造工艺时，由于加载翼片含有铁磁性材料（纯铁）使得聚焦系统的横向磁场分量变大，径向和角向磁场分量呈非均匀性，电子注聚焦困难。本文研究了周期永磁聚焦系统横向磁场产生的原因并建立理论模型，并对磁场分量和其对电子注形态的影响进行了仿真，仿真结果与理论计算结果一致。根据横向磁场分布模型对加载翼片的形状和数量进行优化仿真，结果表明9片齿形加载翼片方案可在保持慢波电路参数的同时，降低聚焦系统的横向磁场分量，改善电子注聚焦效果。

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。

设计了一支可工作于4～9次谐波的大回旋太赫兹振荡管，借助于三维粒子模拟，研究了设计的大回旋振荡管注-波互作用机理、高次谐波工作特性、谐波模式间竞争等关键特性。结果表明，通过调节磁场强度，可以在多个相邻谐波处连续激发振荡，实现频率为240 GHz到460 GHz之间的太赫兹波辐射，最大辐射功率为19 kW。同时研究了第7、8和9次谐波模式之间的竞争，讨论了实现稳定注-波互作用和高次谐波状态下单模工作的方法。此外，论文还对不同谐波状态下的欧姆损耗功率进行了研究。

高频系统是行波管的核心部件，它会直接影响行波管的工作频率、带宽、增益等性能指标。为了获得更大的输出功率和更高的增益，对0.34 THz双注高次模折叠波导行波管的基本特性进行了研究，计算了双注折叠波导的色散特性和耦合阻抗，并与仿真结果进行对比，结果显示色散特性随频率升高差距增大，耦合阻抗在高频段匹配较好，并研究了损耗特性。利用CST仿真工作室对双注折叠波导的注波互作用特性进行了仿真，实现41.68 W输出。为了获得更高的输出，通过增大直波导高度，最终使输出功率提高了52.7%，达到63.12 W。最后设计了符合要求的盒型输出窗和模式转换器，验证了高频系统的传输特性。

提出了一种新型周期永磁（PPM）聚焦系统，其中，每半个周期的这种PPM聚焦系统由1件极靴和5块永磁体共同组成，第1、第3、第5块永磁体与第2、第4块永磁体的极化方向相反，且任何相距半个周期的2块永磁体均具有相反的极化方向。采用MTSS2018对这种新型PPM聚焦系统的磁场进行了计算，结果表明新型PPM聚焦系统的轴线上磁感应强度B_z具有显著的第3次和第5次空间谐波，在过0点后能够更快上升到峰值，整体构型十分接近具有理想矩形分布的PPM系统。采用MTSS2018对G波段分布作用速调管（EIK）所需的电子枪进行了模拟计算，并采用上面计算的B_z对该电子注进行聚焦，获得了电子注电压为22 kV，电子注电流为215 mA的电子注，电子注最大半径为0.08 mm，满足G波段EIK的应用要求。计算中的峰值磁感应强度仅为1.2 $ \sqrt 2 $B_B，说明新型PPM聚焦系统与传统PPM聚焦系统相比，可以在较低的峰值磁感应强度的条件下实现电子注的有效聚焦。

针对太赫兹频段实现高功率面临物理机制上的难题，设计了一个G波段带状注速调管，展示了基于非相对论带状电子注和扩展互作用技术所能达到的功率水平以及影响性能的物理因素。文中设计基于电压24.5 kV、电流0.6 A，1 mm×0.15 mm的椭圆电子注，以及与之相匹配的互作用系统，即横向过尺寸哑铃型多间隙谐振腔，可以实现高功率和高增益。三维PIC仿真结果显示，在考虑实际腔体损耗的情况下，能够获得超过500 W的功率，电子效率和增益分别达到3.65%和38.2 dB。研究发现，输出功率和效率的提升很大程度上受到多间隙腔模式稳定性以及电路欧姆损耗的制约；输出腔的欧姆损耗对输出功率影响尤为显著，工程设计需要特别考虑。本文的研究为高频段带状注扩展互作用器件的研发打下了良好的基础。

提出了一种工作在TM₅₁-2π模式的Ka波段同轴多间隙谐振腔，使用CST本征模求解器研究了此结构的电场分布特性，并分析了基于外侧全通的耦合方式下该结构的冷腔模式特性。在此基础上，通过结合空间电荷波理论和CST三维粒子仿真分析，研究了在多电子注激励下同轴多间隙腔高次模式的起振特性，并分析了此种结构的模式稳定性与注-波互作用特性。研究结果表明：对于工作在Ka波段的TM₅₁-2π模式同轴多间隙腔，采取结构外侧全耦合的方式具有较高的模式稳定性；在此结构中，多电子注不仅会均匀激励起工作模式，也可能非均匀激励起竞争模式；不同于工作在基模的扩展互作用速调管，此种结构的速调管电场极值是分别建立的，因此激励电子注可放置在不同相位的电场极值处；在保持电子注电压、总电流不变的情况下，采取更多电子注的激励方式，需要更小的聚焦磁场。