太赫兹作为介于毫米波与红外光之间的过渡波段,它既具有毫米波的特性同时又有光的特性,具有重要的应用前景,它的产生和应用是目前国际上的研究热点。电子回旋器件已被证明是目前最有可能产生大功率太赫兹信号的器件。为了增大注-波互作用腔体的尺寸,增大功率容量,减小尺寸共渡效应引起的一系列问题,太赫兹回旋管通常工作于高阶模式。然而高阶模式工作时的相应竞争模式较多,为解决高阶模式的模式竞争严重问题,新型回旋管高频结构的研究成为必要。光子晶体结构由于具有光子禁带特性,通过在其禁带中引入缺陷的方式,可以很好的实现模式选择特性,降低模式密度,减少模式竞争,从而解决太赫兹回旋器件过模工作引起的一系列问题。因此,光子晶体回旋管相关问题的研究具有非常重要的意义。本文根据固体物理的晶格理论,对光子晶体结构的带隙特性进行了研究,通过引入缺陷的方式,利用光子晶体带隙特性设计了0.1THz工作于类TE04模式的光子带隙谐振腔,并对该光子晶体回旋管的电子光学系统及输出窗等结构进行了研究分析。本文的主要研究内容及创新之处概述如下:1、从麦克斯韦方程组出发,推导了光子晶体结构的本征方程,并研究了光子晶体结构的缩放法则等特性。根据固体物理中的晶格理论求解出二维光子晶体结构介质材料及金属材料结构的带隙特性,通过理论及仿真相结合的方法获得无氧铜金属柱三角形晶格及正方形晶格TE波全局带隙图。2、为了获得更好的模式选择性,对二维正三角形阵列光子晶体结构进行了研究。根据二维三角形晶格TE波全局带隙图,通过等效半径的方法,得出不同缺陷情况时光子晶体全局禁带内所存在的模式分布图。选择竞争模式较少且模式分隔度较大的角向对称性良好的TE04模为工作模式。通过理论分析及软件仿真研究了光子晶体谐振腔中的模式分布,并与圆柱腔进行对比,得出所设计的光子晶体谐振腔中TE04模场分布与圆柱波导中TE04模场分布很接近。通过回旋管相关理论定出工作于0.1THz波段时,该回旋器件的工作电压,电流,磁场,引导中心半径等工作参数。3、根据0.1THz光子晶体回旋管高频结构对电子注性能要求,理论分析了该光子晶体回旋管的磁控注入式电子枪结构,根据其理论分析结果,初步确定出工作于0.1THz回旋管的电子枪结构。通过软件仿真对其初始结构进行优化分析,设计出满足该回旋器件需求的电子枪结构。并介绍了已应用于实验中的两个电子枪结构,即应用于W波段回旋管引导中心半径3mm,横纵速度比为1.4,速度离散小于3%的单阳极电子枪结构和应用于420GHz二次谐波回旋管中引导中心半径1.95mm,横纵速度比为1.4的双阳极电子枪。实验测得结果均较为理想,与理论设计相符,证明所编程序仿真优化电子枪的正确性。4、介绍了几种常用的输出窗结构,采用模式匹配的方法求得计算单窗片输出窗传输理论,通过理论与现有商业软件仿真结果进行对比验证该理论方法的正确性,此理论方法相较于商业软件仿真方法更加迅速快捷,从而大大降低了工程设计周期和计算成本。根据单窗片输出窗理论,采用传输矩阵级联的方法得出多窗片传输理论。通过合理的设计多窗片结构,获得TE04模式反射小于-20dB的带宽为9.45GHz,相对带宽为10%的双窗片结构;通过对三窗片结构进行优化设计,得出在78-131.4GHz范围内对TE04模反射均小于-20dB的三窗片结构,该窗片-20dB带宽为53.37GHz。对于输出模式为高斯模式的器件,输出窗通常采用布鲁斯特窗,而对于存在于波纹波导中的高斯模式通常为HE11模,为了更好的传输HE11模式,通过将布鲁斯特窗与波纹波导相结合的方式,设计出一款新型布鲁斯特窗。采用矢网分析仪对该新型布鲁斯特窗冷测得出,在频段84-102GHz范围内的反射均小于-22dB,通过理论仿真及实验结果可知,该新型布鲁斯特窗具有很高的带宽,适用于对带宽要求更高的行波管返波管等器件。