为了实现高功率微波发生器的小型化, 开展了S波段低磁场相对论返波振荡器工作特性的研究工作。由于S波段返波振荡器频率低, 对应的电子回旋共振磁场强度也很低, 因此低磁场条件下面临着电子束传输效率低和束波互作用效率低两大问题。为解决上述问题, 采取下列措施: 通过加大电子束与器件内壁的距离, 提高电子束传输效率; 采用较深的慢波结构作为提取腔, 实现高束波互作用阻抗; 提取腔前采用浅深度慢波结构, 使提取腔区域的电子速度与微波相速同步。粒子模拟证明, 以上措施有效, 在引导磁场强度仅为0.17 T、电子束电压435 kV、电流6.5 kA的条件下, 该返波管获得功率为670 MW、效率约为25%的输出微波。相对于常规S波段相对论返波振荡器的磁场系统(B=0.8 T), 适用于该返波管的0.17 T低强度磁场系统螺线管外半径下降了20%, 能耗下降了约93.8%。

搭建了一套以返波振荡器(BWO)为辐射源的太赫兹透射式系统。通过高莱探测器、数字锁相放大器等完成测试信号的探测和存储,在LabVIEW编程环境下,完成配合系统硬件工作的软件平台的编写,利用VISA模块实现对下位机的参数设置以及数据采集工作。利用这套系统进行了单频和扫频实验,分别测试了不同葡萄糖溶液浓度的透过率。结果表明,葡萄糖溶液对太赫兹波有透过特征峰,不同浓度葡萄糖溶液对太赫兹波的吸收不一样。该研究为以后基于BWO的太赫兹生物传感器研究提供了参考。

利用折叠波导返波振荡器(FW-BWO)作为激励源, 用于激励工作频率为216 GHz的折叠波导行波放大器。利用3D-Magic进行仿真实验, 通过仿真优化, 最终得到96 W的输出功率, 整个电路的长度被设计为只有1 cm左右。通过该方法, 显著地缩短了高频结构长度, 有利于实现小型化的真空电子学太赫兹源, 对集成化的太赫兹源设计具有重要的参考价值。

针对过模返波振荡器中泄漏微波在二极管区谐振,造成微波脉冲缩短的现象,设计了内置吸波材料的阳极结构来抑制这种泄漏微波对器件输出的影响。利用粒子模拟软件对不同阳极结构下过模返波管微波输出特性进行模拟研究,模拟结果表明,带吸波材料的阳极结构可以减小泄漏微波对微波输出功率、器件工作模式及脉冲宽度的影响。在长脉冲过模返波振荡器实验中,电子束参数为(800 kV,7 kA)时,器件输出微波频率为8.58 GHz,效率为30%。通过模拟计算和实验验证,这种带吸波材料的阳极结构有效降低了泄漏微波对过模返波管微波输出的影响,将器件输出微波脉冲宽度从70 ns提高到110 ns。

提出并研究了一种带状电子注矩形单栅返波振荡器.首先研究了矩形单栅慢波结构的色散特性和耦合阻抗特性,然后粒子模拟并优化设计了带状注矩形单栅高频结构,预群聚腔及输出一体化结构.研究结果表明:利用电压200 kV、电压2 kA、截面为24 mm×0.5 mm的带状电子注,驱动该矩形单栅返波振荡器,能够产生42 MW的输出功率,工作频率86 GHz,效率为10.5%.

将矩形交错双栅结构作为慢波电路并提出与之配套的过渡结构和输出耦合器，设计了利用带状电子注工作在W波段的返波振荡器。提出的过渡结构和耦合器解决了该类直波导型器件的信号传输衰减大、反射强等难题。相对于传统圆形电子注器件，该器件得到了较大的功率提升。利用三维粒子模拟计算的方法，在电流12 mA时通过调节工作电压，在92~98 GHz频带内得到了数W的稳定平均功率输出，信号中心频率非常接近设计频率,且单色性好，谐波分量小。

基于P波段新型三周期慢波结构同轴相对论返波振荡器设计思想，设计了一个L波段同轴相对论返波振荡器。粒子模拟表明，在二极管电压591 kV、电流8.2 kA、导引磁场0.8 T时，获得了1.50 GW的微波输出，频率为1.64 GHz，效率达31%，器件慢波结构尺寸仅为96 mm×207 mm。分析了该器件实际高频结构的电动力学特性，重点研究了纵向谐振模式、品质因数等特点，并结合P波段的研究结果，得到了该类器件的相关设计指标：慢波结构长度约为一个波长，波纹周期约5/13波长，外波纹深度约1/10波长，内波纹深度约1/30波长，电子束半径约0.7倍外波纹平均半径，器件的纵向工作模式为0.8π模，对应的Q值约16。

提出了一种新型的中等能量P波段相对论返波振荡器，该器件将慢波结构由低波段普遍采用的同轴外波纹结构变为同轴双波纹结构，使得径向束-波作用空间扩大了2倍，一定程度上增加了器件的功率容量；另外同轴双波纹结构还较大提高了器件的时间增长率，从而有效地减小了微波输出饱和时间。经优化设计，该结构在二极管电压300 kV、电流3 kA、导引磁场1.0 T的情况下，获得267 MW的微波输出，效率达30%，频率为867 MHz。