目前,毫米波及亚毫米波的开发和利用已成为微波技术发展的重点方向之一。而微波器件的研究又是微波技术发展的基础和前提。在毫米波及亚毫米波段,电真空器件是最有可能产生大功率的微波器件。但是当电真空器件向着该波段发展的时候也遇到了非常大的困难。首先传统的电真空器件如返波管、速调管、磁控管等,由于它们在毫米波及亚毫米波段受到尺寸共度效应的影响,其高频结构的尺寸和功率容量都将急剧缩小,并且也给结构加工带来非常大的挑战。为了解决传统电真空器件遇到的尺寸共度效应,科学家们基于电子受激辐射机理研制出了一种新型电真空器件-回旋管。虽然近十几年来回旋管取得了长足的发展,但是当它在向着亚毫米波段不断拓展的时候,为了保持足够大的功率容量,通常会采用高阶模式。而高阶模式的采用势必会带来非常严重的模式竞争问题,它是制约毫米波及亚毫米波段的回旋管实现大功率和高效率输出的主要因素。为了解决传统电真空器件和新型电真空器件-回旋管遇到的困难,科学家们提出了新型的高频结构-同轴结构。同轴结构由于其内导体的存在,可以有效增大腔体的尺寸,使得它有着较大的功率容量。因此它是毫米波及亚毫米波段电真空器件的一种理想高频结构。因此本文将对同轴结构的高频特性和它在电真空器件中的应用进行深入的研究。本学位论文基于全波匹配理论,推导了周期横向开槽和纵向开槽同轴结构中的场分布及色散方程,通过数值计算,对这两种结构的高频特性展开研究和分析。并基于纵向开槽结构高频特性的研究,设计出应用于140GHz回旋管的渐变纵向内外开槽同轴谐振腔。对渐变纵向开槽同轴回旋管的线性与非线性理论进行研究,并编写相应的数值模拟程序。利用数值程序求解了设计的回旋管中各个模式的起振电流和注-波耦合系数。并分析了各个因素如电子注参数、腔体结构、磁场等对该回旋管注-波互作用的影响。最终给出了140GHz渐变纵向内外开槽回旋管的热腔工作参数。本论文的主要研究内容及贡献如下:1.对渐变纵向开槽同轴谐振腔的高频特性进行研究。基于全波匹配法,得到了渐变纵向开槽同轴谐振腔中电波模式和磁波模式的电磁场分布和特征根方程,即色散关系。通过求解方程,分析了槽参数对模式的特征根分布和特征频率的影响。并基于同轴谐振腔模式选择理论,对渐变纵向开槽同轴谐振腔的模式选择能力进行研究,分析了槽参数对渐变纵向开槽同轴谐振腔模式选择能力的影响。2.对渐变纵向内外开槽同轴谐振腔的高频场进行研究。基于耦合波理论,编制了渐变纵向内外开槽同轴谐振腔的冷腔模拟程序。利用该程序分析了腔体结构尺寸对谐振腔中模式的谐振频率和绕射品质因数的影响。3.对渐变纵向内外开槽同轴回旋管的线性理论进行研究,详细推导了渐变纵向内外开槽同轴谐振腔的耦合系数和起振电流的具体表达式。利用数值程序,求解了腔体中各个模式的起振电流和注-波耦合系数。并分析了电子注的质量,场幅值的分布等对起振电流的影响,为渐变纵向内外开槽同轴回旋管的稳态非线性理论的研究提供了初步参数。4.对渐变纵向内外开槽同轴回旋管的非线性理论进行研究。详细推导了注-波互作用稳态方程,并编制了数值模拟程序。利用该程序分析了各个参数如电压、电流、磁场、电子注的质量等对注-波互作用效率的影响。并最终给出140GHz渐变纵向内外开槽同轴回旋管的热腔工作参数,它能够实现功率为2.74MW,互作用效率达到41.8%的毫米波输出。5.对周期横向开槽同轴结构的高频特性展开研究。基于周期定理与边界条件,详细推导了同轴横向开槽结构中快波和慢波的色散方程。通过数值计算,分析了结构参数对色散曲线的影响。