毫米波为30GHz到300GHz范围内的电磁波,真空电子器件在毫米波段对民用和国防军事领域具有重要应用价值,尤其是高工作频率、高效率、高功率、高可靠性、低电压、小型化的毫米波真空电子器件,已成为近年来这类器件的研究热点。扩展互作用器件结合了速调管和行波管技术的特点,具有体积小、重量轻、工作电压低、带宽宽、功率高等优点,是一种紧凑型真空电子器件,在毫米波段具有很大的发展潜力,已成为当前高频率毫米波源的研究重点。但当扩展互作用器件在毫米波段频率升高时,尺寸共渡效应使器件尺寸减小（到亚毫米量级）,带来一系列技术难题,如:传统圆形电子注通道非常小（远小于毫米波波长）,允许通过的电流降低;互作用间隙尺寸减小,易引起射频击穿;电路高频损耗大。这些难题导致器件电子效率和功率降低,甚至无功率输出。为了解决毫米波段频率升高带来的器件效率降低问题,本论文提出采用高阶模工作机制使单注器件在同等频率下具有比基模机制更大的尺寸,使器件在频率升高后仍有一定的功率输出;提出功率合成的思路提升器件功率并验证了其可行性;对基模和高阶模毫米波器件开展了提升效率的注-波互作用机理研究。论文主要工作及创新点如下:1.本文首先对基模工作毫米波扩展互作用振荡器开展了基础理论、仿真模拟与实验研究,提出可避免模式竞争的模式分布优化技术并研究了基模工作机理。对基模器件开展了冷测和热测实验研究,冷测采用探针激励和波导馈入两种方法得到基模2π模频率均为35.8GHz;热测实验结果表明器件可在2π模稳定工作,且测试频率与冷测一致,验证了设计的正确性,为后续效率和功率的提升奠定了基础。2.针对频率提升带来器件功率降低问题,提出采用功率合成的方法将多个小尺寸器件角向级联形成扩展互作用功率合成电路;提出了一种有利于功率合成的输出电路。这种合成方法具有以下三个特点:（1）级联后多个单腔电路分布在同一个圆周上,形成分布式空心电子注,可共用同一个磁聚焦系统;（2）引入多电子注,提高了电子枪的总导流系数;（3）可增大横向圆周直径,在角向级联更多带状注单腔形成更大规模功率合成,进一步提升功率。分布式空心注与合成电路均匀分布的场发生互作用,使器件在注电压27kV、电流4.2A条件下产生功率10kW,对应频率103GHz,这种电路的提出为毫米波扩展互作用器件功率的提升提供了一种有效的方法。3.针对频率提升后器件由于功率容量减小、高频损耗增大等导致无法正常工作的问题,提出适用于此类器件的高阶模工作机制,旨在使器件在频率升高后仍有一定的功率输出。基于对基模工作机理的分析开展了基模与高阶模模式场横向分布转化研究,并据此设计了Ka波段TM₃₁模扩展互作用振荡器。研究表明TM₃₁模机制在与基模工作同等频率下可支撑横向尺寸两倍于工作波长的扩展互作用电路,增大功率容量。粒子模拟结果表明TM₃₁模振荡器可在注电压61kV、电流3A条件下产生26.3kW功率,效率14.4%。当频率进一步升高到W波段时,利用横向驻波半波长场分布特点提出一种使扩展互作用电路在TM₃₁模机制稳定工作的设计方法,使其工作避免模式竞争,设计的W波段器件在注电压20.5kV、电流8A的条件下实现了10kW以上的功率输出,效率6.5%。4.当频率进一步升高到毫米波段上限300GHz时,圆形电子注由于器件尺寸进一步减小不足以支撑功率提升要求的电流大小,因此提出高阶模机制与带状注技术相结合提升器件在高频率要求下的效率和功率。设计了300GHz高阶模带状注扩展互作用电路,提出一种与带状注器件临界截止工作条件相匹配的高阶模设计方法,通过分析电路的三维电磁特性验证了设计方法的有效性。在具有同等水平的加工技术和同等材料的条件下,这种高阶模带状注电路与同频率基模带状注电路相比,其表面电流分布在一定储能条件下使其高频损耗减小,有利于器件效率的提升。5.基于空间电荷波理论开展了提升效率的注-波互作用机理研究,主要研究了电子注电流密度和填充比与电子相干性和去群聚效应之间的平衡关系。对第1、2点中设计的Ka波段基模和高阶模振荡器开展了粒子模拟研究,模拟结果显示当基模振荡器的注直径从λ/8减小到λ/40时（λ为工作波长）,效率提升了10.5%,继续减小到λ/80,效率开始降低。高阶模振荡器注填充比从100%减小到0.36%时,效率提升了6.8%,继续减小时,效率降低。由此结果得到以下结论:在注电流一定的条件下,减小注填充比（即电流密度增大）使电子相干性增强且去群聚效应较弱时器件效率提升;继续减小注填充比,去群聚效应增强,相干性变差,效率降低。此外,分析了注-波互作用后电子的群聚特性,采用相速再同步技术改善了交出能量后电子的群聚质量,根据注-波互作用后电子能量分布和多腔速调管理念设计了非均匀周期结构,使基模器件的效率额外提升了2%。