行波管作为一种经典的微波、毫米波电真空器件,在通信、遥感、电子对抗以及目标探测等领域中都具有巨大的应用潜力。慢波结构是行波管中电子注与高频场相互作用实现有效能量交换的场所,是行波管的核心部件。然而,随着工作频率升高至V波段及更高频段,传统慢波结构遇到了反射强、传输损耗大等问题。为适应行波管高频工作的发展需求,设计可工作在毫米波及太赫兹频段的新型慢波结构成为研究的热点。其中,正弦波导结合了半周期交错双栅和曲折波导两种慢波结构的特点,具有频带宽、反射弱、传输损耗低且易于加工的优势,是一种适用于毫米波、太赫兹行波管的慢波结构。同时,针对慢波结构中所传播的电磁波与电子注互作用的研究历来是行波管的研究重点,注波互作用的有效程度直接决定了行波管的工作带宽、输出功率等性能。目前,正弦波导行波管注波互作用的研究仍在较为初级的阶段,科研人员几乎全是利用基于粒子模拟的大型通用仿真软件来进行注波互作用分析,粒子模拟需要占用大量计算资源和运算耗时较长,计算效率低。因此深入研究正弦波导行波管注波互作用理论,对快速优化正弦波导行波管的结构尺寸、提升管子性能以及为设计和加工提供可靠的理论指导等都具有重要意义。本论文将围绕正弦波导行波管中注波互作用过程开展基础性理论研究。首先基于场论的方法分析正弦波导的高频特性,包括色散方程、耦合阻抗和损耗三个方面。然后建立正弦波导行波管中带状注与慢电磁波互作用的线性和非线性理论模型,为今后深入研究正弦波导类行波管奠定前期理论基础。最后针对亚毫米波及太赫兹频段表面粗糙度造成的导体损耗已不能忽略,开展金属加工表面的粗糙度对正弦波导传输性能的影响研究。论文主要工作和创新点如下:1.开展正弦波导高频特性的理论研究,首次给出了计算正弦波导损耗的理论模型。不对正弦波导的结构做分区处理,结合边界条件直接求解麦克斯韦方程,简化了前人的理论模型。基于严格电磁理论推导出色散方程、耦合阻抗和欧姆损耗的解析表达式,准确掌握了正弦波导中电磁波的传播规律。通过与常用的电磁仿真软件HFSS的数据比较,显示理论模型具有较高的精度。最后利用该理论模型进行数值计算,分析正弦波导结构参数对色散特性、耦合阻抗、欧姆损耗的影响,实际设计时可根据不同的性能要求在这三个指标之间做出合理的折中。2.建立正弦波导行波管线性注波互作用的理论模型。引入和正弦波导慢波结构宽边相同的带状电子注,利用场匹配法,推导出描述线性注波互作用的“热”色散方程,通过研究正弦波导中的场分布说明假设的合理性。数值分析了慢波结构参数和电子注参数对正弦波导行波管小信号增益和带宽的影响。研究结果表明选择合适的结构尺寸,正弦波导有望在较宽的频带内实现电子注与波的互作用,为发展毫米波宽带大功率源提供了一个新的途径。3.建立正弦波导行波管的一维非线性理论。利用行波管中慢波的周期传输特性、坡印亭定理、电子运动方程和相对论原理,详细推导并建立完整的非线性理论工作方程组。基于田炳耕的圆盘模型建立一维空间电荷矩形片模型,获得正弦波导的空间电荷场。基于该一维非线性理论编写代码,并将其运用于220GHz正弦波导行波管开展非线性分析,验证能量守恒定理,分析电子相位、电子速度随纵向的变化规律,得到饱和功率、增益等参数。对比数值计算结果和CST-PS的粒子模拟结果,理论和仿真吻合较好,证明了理论模型的准确性。4.研究正弦波导的表面粗糙度对传输损耗的影响。将表面粗糙度的影响体现在对电导率的修正中,采用等效电导率代替理想电导率计算传输损耗。首先基于目前常用两种金属粗糙度模型:H-B模型和Groiss模型,研究有效电导率和传输损耗随频率和表面粗糙度的变化关系;进而研究表面粗糙度对器件增益和带宽的影响。测量工件的表面粗糙度发现,基于金属表面粗糙形貌一致的假设下提出的传统模型不能很好的表征实际粗糙金属表面中的不规则细节。针对正弦波导的实际工况,结合分形几何理论建立了更合理的粗糙度模型。利用实际测试的粗糙表面数据得到粗糙度模型的相关参数,然后将粗糙度模型作为电磁场的边界条件,导出表面粗糙度对正弦波导导体损耗的影响关系。