扩展互作用器件是利用扩展互作用谐振腔中的驻波场与电子注进行互作用而发生能量交换的一种线性注真空电子器件,包括扩展互作用振荡器和扩展互作用速调管。由于速调管具有高功率、高效率和良好的稳定性等特点,被广泛应用于医疗辐照、射电天文、工业加热和大科学装置等领域。然而,随着科技日新月异的发展,特别是在大科学装置的应用当中,包括加速器、对撞机、可控热核聚变反应装置等对器件的小型化、大功率、高效率和稳定性等提出了更高的要求。鉴于此,本学位论文创造性地将超材料与扩展互作用技术相结合,开展了超材料扩展互作用振荡器（MEIO）和超材料扩展互作用速调管（MEIK）的理论、仿真和实验研究。在研究超材料的电磁特性和超材料扩展互作用谐振腔（MEIRC）的电磁特性的基础之上,利用MEIRC作为高频结构探索MEIO和MEIK在实现小型化、大功率和高效率等方面的潜在优势。论文的主要研究内容和创新点如下:（1）开展了超材料电磁特性相关的理论和仿真研究,研究了超材料的谐振特性、负有效电磁参数以及超材料慢波结构的色散和传输特性之间的对应关系。从理论上推导了不同导波系统中有效电磁参数的表达式,并在此基础上提出了一种小型化的全金属超材料单元,通过本征模和时域仿真研究了超材料慢波结构的高频特性和传输特性。与此同时,定义了一种表征超材料小型化程度的小型化系数,研究了横向小型化系数（垂直电磁波传播方向的小型化系数）和纵向小型化系数（沿着电磁波传播方向的小型化系数）对色散特性的影响。研究表明:纵向小型化系数对超材料慢波结构的色散起着决定性的作用,而横向小型化系数则主要影响色散通带的偏移。（2）开展了超材料慢波结构的理论、仿真和实验研究。采用等效电路理论研究了圆波导加载互补电开口环谐振器（Ce SRR）阵列构成的超材料慢波结构的高频特性,通过色散方程和耦合阻抗方程分析了Ce SRR单元和腔体的结构参数对高频特性的影响。在此基础上,开展了超材料慢波结构的传输实验研究。通过仿真和实验得到的传输特性证实了由超材料负折射率导致的传输通带,即工作在圆波导TM01模式截止频率以下的传输通带。研究了超材料关键结构参数对超材料慢波结构高频特性和传输特性的影响,特别是分析了影响超材料慢波结构和MEIRC电磁特性的主要因素,为进一步研究MEIO和MEIK提供了理论和实验依据。（3）提出了小型化和高电子效率MEIO的设计方案,分别研究了低电压小型化和兆瓦级高电子效率的MEIO。首先,研究了多间隙MEIRC的模式分布,并基于归一化电子负载电导和功率交换函数的方法,提出了一种工作在S波段的小型化低电压的MEIO,其横向尺寸和纵向尺寸分别为0.2λ和0.72λ（其中λ为工作频率所对应的自由空间波长）。与此同时,研究了不同间隙个数对MEIO的输出功率的影响,提出了一种兆瓦级的小型化MEIO,并分析了在提高电子效率的同时抑制电子回流的方法,最终通过仿真预测了一个工作在2.866GHz、输出功率达到4.9MW、电子效率为46%的MEIO,其横向尺寸和纵向尺寸分别为0.35λ和1.71λ。（4）提出了一种具有小型化和高电子效率的MEIK,并开展仿真和冷测实验研究。通过计算和仿真研究了MEIRC的电磁特性,分析了MEIRC在结构尺寸和电磁特性方面的潜在优势。在此基础上开展了双腔MEIK的冷测实验研究,通过实验证实了其小型化特性。进一步开展了三腔MEIK的模拟研究,在S波段获得56k W的饱和输出功率,62%的电子效率和47d B的饱和增益,其腔体直径约为0.27λ。最后分析了MEIK的稳定性,聚焦磁场以及由结构小型化可能引起的高频击穿风险。（5）开展了应用于加速器系统的大功率MEIK的研究,针对不同功率量级的应用需求提出了相应的技术方案,并开展相关的实验研究。模拟研究结果表明:中心工作频率为650MHz的三腔MEIK的腔体直径约为0.33λ,约为常规速调管的2/3;在互作用长度小于1.5m的情况下实现了饱和输出功率651k W、电子效率52.8%以及增益35d B的性能。与此同时,研究了基于超材料的兆瓦级脉冲功率速调管,其腔体的横向尺寸为0.34λ。在注电压125k V、注电流80A、聚焦磁场0.2T、输入功率18W的条件下,在中心频率为2.856GHz处得到饱和输出功率为6.2MW、饱和增益为55d B、对应的电子效率超过60%。最后,开展了超材料大功率速调管的热测实验研究,在电子注电压和电流分别为120k V和80A的条件下,在2.852GHz-2.858GHz的频率范围内得到输出功率大于4MW。其中最大输出功率为5.51MW,电子效率为57.4%,饱和增益为54.9d B,对应的工作频率为2.8523GHz。