太赫兹(Terahertz,THz)波段的频率范围在100GHz与10THz之间,波长介于30μm与3mm之间在频谱上处在一个比较特殊的区域,因此具有了很多独特的性质,在各个领域都拥有着广泛的应用前景。太赫兹辐射源是太赫兹技术发展的关键技术,其中真空电子辐射源因为其功率大、效率高,是一类重要的太赫兹辐射源。这类器件从微波向太赫兹频段发展面临尺度效应等瓶颈。Smith-Purcell超辐射可以通过高次谐波部分解决尺度效应问题。本论文通过理论与模拟分析Smith-Purcell超辐射的物理机理,探讨结构各项结构参数对色散特性的影响,分析边墙结构对起振电流的影响,并用实验对模拟的各项内容进行验证。本论文的具体研究内容如下:(1)理论推导出了亚波长矩形光栅结构的色散方程并绘制色散曲线,比较不同参数对结构色散特性的影响,掌握变化规律。(2)通过粒子模拟软件对结构进行模拟,画出色散,与理论计算进行了对比。根据所需的工作频率、合理的超辐射角度、实验室现有的电流密度及电压环境,并结合理论计算,合理地设计出了结构的各项参数。同时还分析了在亚波长矩形光栅结构凹槽两侧加上与光栅等高的边墙对起振电流的影响。(3)根据前期模拟,合理设计并加工实验平台、电子枪部分以及超辐射的收集跟检测部分,利用真空动态系统,开展了相关测试研究。通过电子枪的精准对中,测量了所设计的电子枪的束流大小、束流稳定性、束流分布及磁场对束流位置的影响。通过改变灯丝、阴阳极电压等参数,测试了不同条件下束流的变化。