行波管作为真空电子学领域一种非常重要的功率放大器,具有高功率输出、高效率、高增益等优点。为了研制高效率、大功率、宽频带的太赫兹辐射源,推动高性能装备的发展,行波管的研制向着小型化、大功率、高频段的方向发展。但太赫兹行波管中欧姆损耗大、互作用阻抗低等问题会对器件的输出功率水平产生影响,同时为获得器件的大功率输出,会导致行波管的整管长度过长。为解决上述问题,增加器件的功率容量,本文提出多种太赫兹行波管新型慢波结构,并采用理论分析、仿真计算与实验研究相结合的方式,对太赫兹行波管进行深入的研究。本文的主要工作和创新点包括:1.2π模带状注扩展互作用增强交错双栅行波管的研究。提出2π模带状注扩展互作用增强交错双栅行波管互作用电路的概念及设计思路。对带状注扩展互作用增强交错双栅行波管的互作用电路的电磁特性进行研究,分析高频系统注-波互作用过程中腔体对工作性能的影响。在电子注工作电压为21 k V,电流为200 m A的条件下,实现最大平均输出功率为187.5 W,对应的增益和电子效率分别为42.22d B和4.47%的性能指标。开展高频系统的加工与实验工作,完成交错双栅慢波结构与多间隙谐振腔的加工与冷测。2π模带状注扩展互作用增强交错双栅行波管的提出,有助于提高器件的增益、减小互作用电路的长度、显著提升器件的效率和工作带宽,为太赫兹行波管的小型化和集成化提供思路。2.2π模扩展互作用增强曲折波导行波管的研究。提出2π模扩展互作用增强曲折波导行波管互作用电路的设计原理,开展曲折波导慢波结构高频特性的研究,完成梯形结构多间隙谐振腔的理论研究。完成2π模扩展互作用增强曲折波导行波管高频系统的整体设计,实现互作用电路长度小于50 mm,增益为35.8 d B,输出信号的3 d B带宽为4.6 GHz,电子效率为4.4%的性能指标。满足太赫兹波应用对器件宽频带、高增益和小体积的要求,为后续G波段扩展互作用增强曲折波导行波管的整管实验研究奠定理论基础。3.π模扩展互作用增强曲折波导行波管的研究。提出π模扩展互作用增强曲折波导行波管的概念及设计方案,开展工作模式为π模的不等长槽扩展互作用谐振腔的理论研究。利用参差调谐技术有效拓展器件的工作带宽,分析腔体加载对高频系统工作性能的影响。计算结果表明:可在30 mm以内的互作用电路长度下,实现最大平均输出功率为65.78 W,对应的增益为37.38 d B,电子注效率为3.9%的工作指标。该高频系统的单位长度增益可达12.64 d B/cm,3 d B工作带宽为3.5 GHz。π模扩展互作用增强曲折波导行波管在保持高增益和高效率工作性能的同时,大大缩短了高频电路的长度,促进了行波管小型化和集成化的发展。4.G波段2π模扩展互作用增强曲折波导行波管的整管设计与实验研究。对实验电路的注-波互作用过程进行仿真计算,研制与高频系统配套的太赫兹行波管电子光学系统。完成G波段扩展互作用增强曲折波导行波管高频系统的加工与冷测实验,冷测实验结果与仿真结果具有良好的一致性。开展G波段扩展互作用增强曲折波导行波管的加工、装配与热测实验,为太赫兹雷达、通信与成像等应用提供可靠的太赫兹波源。5.带状双电子注光子晶体加载曲折波导行波管的研究。提出带状双电子注光子晶体加载的过模曲折波导慢波结构,对互作用电路的电磁特性进行分析研究,完成输入/输出耦合结构及TE10-TE20模式转换器的设计。带状电子注的工作电压为21.2 k V,双电子注的总电流为320 m A,馈入幅值为50 m W的正弦射频信号。当工作频率为220 GHz时,该带状双电子注光子晶体加载的过模曲折波导慢波结构的输出信号的平均功率取得最大值128 W,对应的增益达到34 d B。整个慢波电路的输出信号实现了7 GHz的3 d B带宽。采用过模工作的曲折波导结构,可以增大慢波电路的尺寸、降低高频电路的加工难度、减少尺寸共渡效应对互作用电路的消极影响。光子晶体的应用和衰减器的加载可以有效抑制其他非工作模式的模式竞争,减少返波振荡对电路的负面影响。