太赫兹波(0.1~10 THz)具有穿透性、宽带宽和低光子能量等特性,可应用于医疗成像、高速率数据通信、气体传感、高分辨率雷达等。辐射源的研究是太赫兹技术发展的关键,太赫兹返波管结构简单易于实现,且具有较宽的电子调谐范围,因此是一种非常重要的太赫兹真空电子学辐射源。但返波管仍需要向更高的输出功率和效率、更紧凑的尺寸、更轻的重量以及更低的电流密度等方向发展。研究发现:多电子注的应用可以增加输出功率和降低工作电流密度;适用于平板器件的带状电子注可以靠近慢波结构表面,增强注波互作用、提高输出功率,其较低的空间电荷效应可以降低对聚焦磁场的要求;亚波长孔阵列结构对电磁波具有增强透射的特性,可用于太赫兹辐射源研究。在此基础上,本文提出了一种可以由带状双电子注驱动的、基于孔-栅慢波结构的太赫兹返波管,对其进行了详细的理论分析、仿真模拟和实验研究。本论文的主要内容和创新点如下:1、在平板光栅结构的基础上引入亚波长孔阵列,提出了单孔-光栅慢波结构。采用纵向场法和场匹配法推导出色散方程并验证其正确性;利用HFSS软件分析了结构参数对慢波结构高频特性的影响,讨论了结构中电场分布特性;使用Chipic软件进行了三维粒子模拟。结果表明单孔-光栅慢波结构利用了亚波长孔阵列对电磁波的增强透射特性,使上、下电子注通道中的电场具有整体性,从而使得单孔-光栅慢波结构返波管具有注波互作用空间大、互作用功率高、达到稳定所需时间短的优势。2、利用光栅、孔分别对结构中表面电场分布特性的影响,通过优化孔的数量及位置,设计了双孔-光栅慢波结构,改善了孔-栅慢波结构的电子注通道中表面电场的横向分布特性,有利于带状电子注的稳定传输。在双孔-光栅慢波结构高频特性分析的基础上,设计和优化了0.14 THz双孔-光栅慢波结构返波管,使用CST Particle Studio进行了详细的三维粒子模拟研究,分析了工作参数对输出的影响并详细阐明了其物理机理。结果表明:双孔-光栅慢波结构返波管具有低电压、低电流密度的性能,且能在7.6 GHz调谐带宽内得到瓦级输出;同时,由于孔阵列的引入,双孔-光栅慢波结构返波管的输出不会受到两个电子注电流差异的影响,且只要一个电子注的电流密度高于最低起振电流密度,返波管就能够得到稳定的输出,因此能够降低对双电子注电子枪的要求,使其在工程上更具有可实现性。3、利用1/4圆弧弯波导对电磁波相位的调制作用,设计分析了适用于将两个等幅反相的信号进行合成的E面功率合成器,避免了传统T型结构功率合成器中的微细结构,降低了合成器的设计与加工难度。并且基于分析结果提出了一种利用解析几何来设计E面功率合成器的方法,通过该方法可以便捷的设计出各频段具有不同相对带宽的E面功率合成器。4、利用结构对称性和孔阵列的增强透射特性,提出了基于双孔-光栅慢波结构的多层级联返波管方案,研究了结构中的电场分布、输出特性及注波互作用的物理过程。结果表明,相比于单层双孔-光栅慢波结构返波管,基于双层、三层级联结构的返波管可以获得更高的输出,且效率分别提升了23%和30%;系统中电磁波能量主要从外层两个电子注通道中耦合输出;电子注的电流差异不会改变外层通道中高频电场的等幅反相特性,但适当提高中间电子注的电流,可有效提升器件的输出功率及效率。5、完成了双孔-光栅高频系统及E面功率合成器的加工和冷测实验,得到了器件对应的传输耦合特性,并结合仿真结果进行了详细的分析。分析表明,由于加工精度的偏差,实验结果与模拟结果在谐振频点上略有差异,但趋势上基本一致,验证了双孔-光栅高频系统及E面功率合成器设计的正确性。