现代军事技术的发展,对微波管频带宽度、效率以及功率等性能提出了越来越高的要求。波长在3mm～1mm范围内的短毫米波具有非常重要的开发价值。短毫米波高功率微波辐射源将会在成像雷达,精确制导,成像透视,生物武器的探测以及电磁波武器等方面有着重要的应用前景。这些研究和应用都需要有性能良好的辐射源,这也是目前高功率微波向短毫米波波段发展的关键。开放式准光腔,其频谱密度大体是一个常数,在工作波长很短的情况下有较大尺寸和较高品质因数,并可工作在高次模式。这些优点使基于开放式准光腔的电真空辐射源在短毫米波和亚毫米波段具备更大功率潜力。本文从理论出发,并借助于粒子模拟,对中心有圆柱光栅结构的同轴型准光腔的高频特性,以及环形电子注通过此系统激励短毫米波的物理过程进行了理论和实验的研究,主要工作如下:1.圆柱光栅Smith-Purcell效应的研究。我们用粒子模拟的方法研究了圆柱光栅的SP辐射特性,研究表明:当单电子束团从光栅表面经过时,圆柱光栅可以激励起两种不同的波:频率固定的表面慢波以及频率随观察角度改变的SP辐射波;采用预先群聚好的连续束团时,可观测到超辐射现象。SP超辐射波的频率为电子束团重复频率的倍频,具有锁频特性,且辐射在特定角度上有明显加强;最后采用连续电子注时,观察到在相同周期、槽深以及槽口宽度的情况下,三角形槽圆柱光栅在二次谐波上的切向磁场幅值最大,这说明其辐射强度最大,倒梯形槽圆柱光栅则辐射强度最小。2.开放式圆柱光栅高频特性的分析。用理论推导的方法对圆柱光栅高频特性进行了研究。首先对矩形槽圆柱光栅慢波结构采用了场匹配方法进行分析,推导出了色散方程和耦合阻抗表达式。并通过编程计算求解方程。根据计算结果,进一步分析了圆柱光栅的结构参数对色散特性和耦合阻抗的影响。对于任意槽形的圆柱光栅,在槽内采用一组矩形阶梯来近似替代任意槽形状。利用相邻矩形阶梯之间的导纳递推关系求得槽口处导纳,并联合其它边界条件求得任意槽形圆柱光栅色散方程的统一形式。选取四种不同形状的槽进行讨论,发现倒梯形槽圆柱光栅具有最强的色散特性。矩形槽光栅、梯形槽光栅色散依次减弱,三角形槽光栅的色散最弱。3.开放式圆柱光栅中环形电子注与波互作用线性理论及分析。在开放式圆柱光栅的互作用区中注入纤薄的环形电子注,通过场匹配法建立了开放式圆柱光栅系统的注波互作用线性理论模型。引入薄环状电子注表面阶跃边界条件,联合其它边界条件推导获得任意槽形圆柱光栅在小信号条件下的“热”色散方程。最后编制程序求解色散方程以及增益。结果表明:在固定频率下,存在最佳结构参数尺寸使得小信号增益最大。在选取的四种槽形状中,三角形槽具有最宽的带宽和最小的增益,然后依次是梯形槽,矩形槽。倒梯形槽则有最窄的带宽和最大的增益。4.准光谐振腔中电子注与波互作用非线性模拟。用粒子模拟的方法对具有圆柱光栅的同轴型准光腔进行了非线性模拟。系统工作在表面波模式下,工作频率由圆柱光栅和电子注线的交点决定。圆柱光栅起到了选频的作用。当采用不同槽形圆柱光栅时,由于光栅和电子注互作用强度不同,输出功率大小也不同。采用倒梯形槽圆柱光栅时,系统的输出功率最大。分析了输出口角度与系统输出功率的关系,输出口角度越大,系统的输出功率越小。在倒置曲面镜同轴型准光腔中,由于电子注半径增大使得在相同的电流密度下电流大小比同轴型准光腔结构高好几倍,从而提高了互作用强度,模拟得到的输出功率可达900MW以上。5.具有圆柱光栅的同轴型准光腔短毫米波辐射源实验研究。在国内首次进行了W波段同轴型准光腔辐射源热测实验。设计了一套实验系统,包括电子枪、磁线圈、同轴输出通道支持环、输出喇叭等部件,并进行了各部件的实验研究,热测结果表明,在W波段得到了1.2MW的功率输出。以上工作为研制更高输出功率、更高能量和更高频率的辐射源奠定了理论和实验基础。