随着下一代无线通信网络的建设,需求的通信带宽及速率均有极大增长。W频段电磁波频率更高,承载的信息容量更大,提供的分辨率更为精细,因此在移动通信,卫星探测等诸多领域都具有广泛的应用前景。目前W波段以上使用的固态器件微波源功率小,效率低,不能满足高频段的应用场景需求。与固态器件相比,真空电子器件可以提供更大的功率,更宽的带宽,有望成为未来通信及探测用W频段电磁波波源应用主要技术。输能窗作为真空电子器件中的重要组件,可以隔绝真空电子器件内外环境,保持管内的高真空度,对真空电子器件的性能和使用寿命都有较大影响,因此应具备高机械强度,高气密性,低损耗,大功率容量,工作带宽内反射较低等特性。随着一些具有宽带特性的行波管慢波结构的提出,对输能窗的带宽要求也越来越高。目前输能窗宽频带的实现方案有:添加过渡段、采用多层窗结构、改变窗片参数实现混合模式传输等。这些方案都需要对经典的输能窗结构进行较大的更改,存在一定的设计或加工难度。为了解决这一问题,更好的实现输能窗宽带低反射传输,本文引入超材料结构,改善输能窗性能,实现利用传统输能窗结构拓宽输能窗带宽的目的。本文首先研究了一种孔洞超材料结构矩形输能窗。通过阻抗匹配理论设计了孔洞超材料结构,获得了比普通矩形窗和带电感膜片矩形窗更宽的带宽。其次研究了V字形超材料结构,用于盒型窗结构,实现了更低的反射系数。然而上述两种结构仍存在一些问题待解决,需要进一步研究。本文重点开展了“工”字形超材料窗片设计,用于W波段盒型输能窗。通过在窗片上设计矩形金属框和“工”字形结构构成超材料结构,从而拓展输能窗带宽。使用超材料结构的盒型窗驻波比小于1.1的带宽从传统盒型窗的7.9GHz提升到了19.1GHz,并且在此频带内不存在鬼模。驻波比小于1.2的带宽从传统盒型窗的15.6GHz提升到了33GHz,实现W波段覆盖。此外,本文还对超材料盒型窗的功率容量进行了仿真,结果表明其可以承受1 k W功率的电磁波,为超材料窗片的应用提供了设计保证。该结构为中低功率输能窗拓展带宽提供了新的思路和解决方案。之后,本文对“工”字形超材料输能窗进行了实验验证。限于加工工艺和实验条件,实验工作在Ka波段开展。通过光刻和金属磁控溅射工艺对窗片进行了加工,并对使用无图案窗片和超材料窗片的盒型窗传输性能进行了实验测试。实验结果与仿真结果一致,表明“工”字形超材料输能窗可以拓宽盒型窗的带宽,具备实际应用的可行性。