微电真空折叠波导行波管作为一种兼带宽和增益的大功率太赫兹辐射源器件,可应用于0.1～1THz频段高功率太赫兹辐射的产生,在太赫兹雷达、通信、成像等方面具有巨大的应用潜力。目前我国对太赫兹折叠波导行波管的研制仍然有很多关键技术需要攻关,在工作频率不断向更高频段推进的同时,人们也在不断探索新的慢波器件,寻求更佳的可实现性和更好的输出性能。本文结合中国工程物理研究院0.345THz微电真空折叠波导行波管的研制工作,提出一种可以大幅度提高器件功率的新型折叠波导慢波结构,以0.345THz微电真空折叠波导行波管为牵引,进行整管系统性研究和理论设计。电子枪的设计:首先分析研究了电子注在静态电场或磁场中的运动轨迹,在此基础上,采用Vaughan迭代综合法完成折叠波导行波管中Pierce电子枪参数的初步选取,据此对电子枪初始结构进行建模和仿真优化,使得电子枪输出端电子束质量满足束-波互作用区的设计要求。在电子枪的具体设计过程中,可以选择温度支配方式或者空间电荷支配方式两种工作模式,实际工作条件下电子枪的输出电流往往受到两种工作方式的共同制约。束-波互作用区/慢波结构的设计:通过折叠波导慢波结构的色散关系、耦合阻抗、小信号理论研究,获得折叠波导慢波结构的主要几何参数的初值,完成0.345THz慢波结构的初步设计。然后对该设计模型进行仿真建模,利用粒子模拟技术对其非线性束-波互作用过程进行数值模拟和仿真优化,首先找到慢波结构的最佳工作电压点,进而获取电子参数、结构参数、磁场参数与增益等工作性能之间的依赖关系。仿真结果和理论分析相互验证,共同指导慢波结构参数的优化设计,为慢波结构的加工提供理论支撑。分段变参数型大功率、高增益、紧凑型折叠波导慢波结构的设计:给出分段变参数折叠波导的设计原则,基于色散关系和小信号理论,分析了分段变参数慢波结构的参数设计思路,实现了 0.345THz两段式折叠波导慢波结构的设计和仿真验证,证明了采用分段式慢波结构能够大幅度提高器件的输出功率和增益。该新型结构各段慢波结构之间的变化参数数量少,连接方法比较简单,可加工性强,便于实现慢波结构整体性加工。工程、加工因素对器件性能的影响:首先研究了由于金属有限电导率所引起的传输损耗。由于金属加工粗糙度会继续加大电磁传输损耗,则把金属表面粗糙度折合到金属有限电导率中,再用于损耗计算。通过慢波结构的三维PIC“热腔”仿真,研究了金属电导率对器件带宽和增益等的影响。总体上说,粗糙度越小越好,电导率越高越好,传输损耗越小越好,从而慢波结构的增益、带宽等工作性能也越好。最后研究了加工工艺因素——由于加工原因引起的波导壁垂直度偏差对折叠波导慢波结构工作性能的影响,包括慢波结构损耗、电压工作点、增益和带宽等工作性能。结果表明,随着垂直度偏离角度θ增大,电磁信号的传输衰减增大、工作点漂移、带宽减小、增益急剧下降,但是尝试增加电子束电压寻找新的工作点,可以得到较好的增益。研究结果将有效指导相关加工和实验的进行。周期永磁聚焦磁场(PPM)的聚焦特性及电子光学系统一体化模拟研究:基于束-波互作用的具体要求和PPM磁场聚焦下的电子注运动特性,选取PPM聚焦磁场的峰值和周期长度,并依此选择PPM的结构参数。在CST中对PPM建模,通过数值模拟观察PPM的结构参数和轴线磁场分布的关系规律。构建0.345THz电子光学系统一体化模型,保证了电子枪和PPM的合理对接,研究了电子注的直流流通率,获得磁场构型、起始位置、周期长度、磁感应强度峰值以及磁体厚度等对电子束传输特性的影响规律。结合0.22THz电子光学系统实验模型,进行电子光学系统一体化模型的有效验证,并通过调整结构参数,有效提高了电子注的直流流通率。电子光学系统一体化模型的构建以及相关的直流流通率研究,将有效推动流通率实验和电子光学系统的物理模型改进。综上所述,从0.345THz折叠波导行波管出发,提出一种可以大幅度提高功率的新型慢波结构,比较系统地研究了各关键部件包括电子枪、折叠波导慢波结构、周期永磁聚焦系统的工作机理以及分析方法,最终实现了折叠波导行波管的整体性理论设计。该一体化整管设计工作为器件加工和实验提供指导性意见,为器件研制工作提供技术理论支撑,推动太赫兹折叠波导行波管的发展,为其在太赫兹雷达、通信、成像系统等方面的应用奠定基础。