采用冷腔分析研究了带有光阑结构的开放式谐振腔中的模式竞争，设计了采用TE61模式工作的W波段三次谐波回旋管谐振腔。PIC粒子模拟结果表明：在不考虑腔壁损耗及电子注能散的情况下，采用注电压45 kV、电流3 A的电子注，可以实现三次谐波单模稳定工作，并获得约20 kW的输出功率，对应工作效率14.8%。

采用线性理论和非线性理论研究了回旋管谐振腔结构、寄生模式抑制及注波互作用等问题。设计了一支工作在95 GHz的三次谐波回旋管, 注波互作用结构采用标准开放式谐振单腔, 工作模式为TE64,采用电压45 kV、电流5 A、横纵速度比为1.5的小回旋电子注。在不考虑电子注速度离散及厚度的情况下, 非线性理论分析表明, 该回旋管可以获得14 kW功率输出, 横向互作用效率约为18%, 整管效率约11%。

分布式介质加载技术已被成功应用于回旋行波管的高频结构，该结构对于回旋行波管的自激振荡起到很好的抑制作用。对采用分布式介质加载的Ka波段，工作模式为TE01模的回旋行波管进行了稳定性分析；计算了介质加载条件下工作和寄生模式的传播损耗，以及不同传播损耗下工作模式的起振电流；对不同介质加载条件和工作电流，给出了三个主要寄生模式的起振长度；在对介质加载回旋行波管工作和寄生模式稳定性综合分析的基础上，确定了介质加载厚度及相对介电常数等参数。利用优化设计的高频结构及介质加载参数，进行了整管热测实验，得到了输出功率160 kW，饱和增益40 dB，效率22.8%及3 dB带宽5%的回旋行波管。

根据回旋管的线性理论和回旋管自洽非线性理论设计出工作频率为220 GHz,工作电压为20 kV,工作电流为2 A的回旋单腔振荡管,采用的工作模式为TE03模.利用粒子模拟软件MAGIC对设计方案进行验证,得到的注波互作用效率达到37%,平均输出功率为15 kW.

绝对不稳定性是制约回旋行波管性能的主要因素之一.通过回旋行波管色散方程,详细分析了W波段基波回旋行波管绝对不稳定性的形成和特征,提出了采用多段损耗波导来抑制绝对不稳定性的方法.分析表明,绝对不稳定性的起振存在一定阈值,起振电流对电子注参数和电路参数极其敏感,确定起振电流是稳定器件工作的前提条件.通过PIC模拟,给出了采用无损耗波导结构,且工作电流为25A和10A条件下的放大器频谱图和功率图,结果表明绝对不稳定性的出现与否主要由工作电流是否超过起振的阈值电流决定,损耗波导是抑制绝对不稳定性的有效手段.