高功率毫米波在许多方面有着固有的优势而受到越来越多的重视,进一步提高功率成为目前研究的重点。Cerenkov型高功率微波器件由于其束波转换效率较高、频谱特性好、工作稳定、作用机理简单等特点,在产生百兆瓦以上功率的场合得到了广泛的应用。毫米波器件的尺寸较小,其功率容量也随之受限,合理增大器件径向尺寸,即采用过模慢波结构,可有效提高器件的功率容量;然而,采用过模结构时,器件内部可能激励起多个高阶竞争模式;通过对相应模式的分析,采取一定手段可使器件工作于单模状态。毫米波器件需要电子束在空间传播时波动较小,相应需要更强的导引磁场;通过相关理论分析,可使器件工作于较低的导引磁场。在此背景下,本文设计了一种过模慢波结构高功率毫米波发生器,实现了在GW级功率水平上低磁场运行、准单模输出。论文的研究内容包括以下几个方面:首先,论文对过模慢波结构进行了系统的理论分析。采用Fourier级数法研究了任意形状的周期性慢波结构的色散关系,分别计算了矩形波纹慢波结构与边缘倒圆角的矩形波纹慢波结构的色散曲线,比较了不同结构参数对色散曲线的影响;并以矩形波纹慢波结构为例对慢波结构的耦合阻抗进行了研究。这给器件尺寸的设计提供了参考依据。其次,论文对过模器件内的模式选择进行了分析。论文研究了过模慢波结构的场分布特点,研究发现TM01模π模的纵向电场具有表面波性质,而TM02、TM03模的场呈体积波形式。因而,我们有可能通过选取合适的慢波结构参数以及电子束参数,使TM01模被电子束有效激励,而TM02、TM03等高阶模不被激励。另外,毫米波器件通常需要较强的导引磁场来约束电子束,实际应用希望磁场尽可能低,因此,论文研究了器件低磁场运行的可行性,在此基础上通过粒子模拟使器件工作在0.80T左右的较低导引磁场。再次,论文采用粒子模拟程序对器件产生高功率毫米波的机制进行了系统深入研究。利用粒子模拟方法对器件进行了结构设计,给出了束波作用过程详细的物理图像。为优化器件结构,仔细分析了器件的结构参数与运行参数对微波性能的影响:主要分析了慢波结构波纹深度、两段慢波的数目、输出腔的长度与半径等结构尺寸对微波性能的影响,同时还分析了二极管电压与外加导引磁场对束波作用的影响。采用矩形慢波结构的模型经优化后,在导引磁场0.85T、束电压600kV、束电流5.05kA的条件下,模拟获得了频率33.20GHz、功率1.05GW的微波输出。分别对微波在束波作用区及输出口位置处的模式进行的研究发现,在束波作用区,为典型的TM01模表面波,在输出口处,主要模式为光滑圆波导TM01模。采用边缘倒圆角的慢波结构时,在导引磁场0.85T、束电压600kV、束电流5.05kA的条件下,模拟获得了频率33.10GHz、功率1.02GW的微波输出。这些模拟结果为后续的实验设计提供了重要指导。论文还对该器件进行了永磁包装的研究,采用两块不同磁化方向的磁体提供0.80T的导引磁场,可以实现约1GW的毫米波输出,此时永磁体的总重量为197.6kg。最后,对提出的低磁场准单模高功率毫米波器件开展了系统的实验研究。在TORCH-01脉冲功率源上的实验结果表明,器件采用矩形慢波结构,当导引磁场为0.80T、二极管电压为600kV、电流5.2kA时,可产生功率113MW、频率33.56GHz、主模TM01、脉宽7ns～8ns的微波输出,证明了在低导引磁场下采用过模结构产生高功率准单模毫米波的可行性。最终实验改进后,在0.80T导引磁场下,电压590kV、电流5.2kA时,获得了频率为33.56GHz、功率为320MW、脉宽约13ns、辐射主模为TM01模的高功率毫米波,功率效率约10%。