实现毫米波与太赫兹通信与应用的关键技术之一就是发展毫米波与太赫兹波辐射源,功率源器件是通信设备的核心部件之一。在毫米波和太赫兹频段,真空电子器件在实现高功率方面有着其他器件不可替代的优势。传统的毫米波及太赫兹真空辐射源器件主要采用热阴极作为电子源,热阴极真空电子器件的缺点是:发射电流密度小;阴极需要热子进行加热,不能在室温下工作;阴极预热需要一定的时长,无法满足即时性的需求等。传统的真空电子器件向毫米波以及太赫兹频段发展时,由于器件结构尺寸与频率的共渡效应,面临一系列的困难与挑战。扩展互作用器件是一类特殊的真空电子器件,结合了行波管与速调管的优点,具有体积小,结构紧凑,功率高等优点,适宜工作在毫米波与太赫兹频段。为了克服热阴极存在的缺陷以及发展紧凑型的毫米波、太赫兹真空辐射源器件,本文提出采用新型阴极作为电子源发展毫米波与太赫兹扩展互作用器件,分别针对碳纳米管阴极扩展互作用振荡器和赝火花阴极扩展互作用振荡器开展了相关的理论与实验研究。本文针对碳纳米管阴极场致发射的预调制机理进行了理论分析与仿真研究。采用微波信号中高频电场分量对冷阴极场致发射过程进行直接调制,通过仿真模拟验证了场致发射预调制机理。对扩展互作用电路的多间隙谐振腔的结构特性和基础理论进行了介绍和分析,研究了多间隙谐振腔的结构参数对高频特性的影响,设计了工作于Ka波段的扩展互作用振荡器。利用调制电子束激励Ka波段扩展互作用振荡器,实现了对扩展互作用振荡器的频率锁定。与传统振荡器相比,该新型锁频振荡器的输出信号的频率可以通过调制电子束实现频率锁定。采用碳纳米管阴极预调制电子注作为真空电子器件的电子源,可以减小线性注器件的长度,缩小体积,减轻器件重量等,对于开发微型化和集成化的电子真空器件具有重要意义。结合赝火花阴极电子枪、带状电子注和梯形慢波结构的优势,设计工作在太赫兹频段的大功率扩展互作用振荡器。对单模工作下梯形慢波结构的工作特性进行了理论分析、仿真模拟,分析了加工误差对电路性能的影响,以及考虑太赫兹高频损耗对输出功率可能造成的影响进行了分析,仿真表明工作频率提升到300 GHz时,加工精度需要控制在5μm;在仿真中还考虑了赝火花放电过程中产生的等离子体对输出信号频率和功率的影响,以及粒子碰撞带来的速度离散对器件输出功率等指标的影响进行了分析,仿真表明等离子体的引入会导致1.7%频率偏移,当速度离散在15%以内时,输出功率在1 k W以上,速度离散超过15%时,输出功率会急剧下降。本章还对双频双模太赫兹扩展互作用振荡器进行了初始研究设计,首先对双模工作的可行性进行了分析,然后针对双模工作设计了电路,并通过CST软件对双模工作扩展互作用振荡器进行了仿真模拟验证,仿真结果证实了双频双模太赫兹扩展互作用振荡器的可行性,采用赝火花阴极作为电子源,分别在两个频段获得了千瓦级的功率输出。设计研究了基于平面结构碳纳米管冷阴极的电子光学系统,通过实验研究了平面结构碳纳米管冷阴极二极管和三极管的电流发射特性和电子注的流通特性,在三极管的实验中,实验测试结果表明电子束可以近乎无电子截获通过栅极到达阳极,电子注通过率接近100%。三极管实验结果显示阴极发射电流达到了32 m A,相应的发射电流密度为1.02 A/cm2。对基于碳纳米管阴极的Ka波段扩展互作用振荡器展开了实验探索研究,在对高频电路的传输特性测试实验表明,电路的实测结果与设计电路的模拟仿真结果相一致,满足了设计要求。