近些年,真空电子器件逐渐朝着“五高一小”的目标发展,即高频率、高功率、高增益、高效率、高可靠性和小型化。尤其是所需的电磁波发射源的工作频率逐渐迈向太赫兹频段,传统的固态器件受限于其固有的特性,真空电子器件受到越来越多的关注,主要包括行波管、返波管等电磁波辐射源。返波管作为经典的真空辐射源,也是现阶段应用比较多的太赫兹辐射源。返波管的慢波结构中所传播的电磁波和电子注的相互作用也是历年来返波管研究的重点,注波互作用的效率直接影响着返波管的性能。目前,很多科研人员对注波互作用的研究大都通过大型电磁仿真软件进行粒子模拟来分析研究,但是粒子模拟需要占用大量的时间进行计算,计算效率很低。因此,返波管注波互作用的理论研究对于返波管的发展具有重要意义。本文将围绕返波管大信号理论对返波管注波互作用过程进行理论研究。首先介绍了返波管大信号理论的物理模型和数学模型,推导了返波管大信号理论的公式,然后用C++编程语言编写了返波管大信号理论的程序,对返波管大信号理论进行了程序实现,最后用目前主流的电磁仿真软件模拟了1.03THz、0.67THz和0.22THz的返波管,将模拟数据和返波管大信号理论程序计算结果进行对比分析。论文的主要工作和创新点如下:1.建立了返波管大信号理论的物理模型。介绍了返波管开始工作到稳定工作的过程,分析了返波管稳定工作时的特点,主要包括了平均功率、电场强度和电子注状态等的特点,最后得出结论,研究返波管注波互作用只需要关心返波管稳态时的注波互作用,所以本文的返波管大信号理论是建立在返波管工作到达稳态的基础之上。2.建立了返波管大信号的数学模型。将物理模型转换成数学模型,在一个电磁波周期内将电子注划分成宏粒子,将每个慢波结构周期长度划分成若干个空间步长,在时域讨论电子的运动,在频域讨论场的变化,得到了电子动能变化和电场强度的关系。电子的运动用一维的电子运动方程来描述,线路场由线路场上的功率结合耦合阻抗的定义式可以得到,空间电荷场结合诺埃的大信号理论来求得。3.对返波管大信号理论进行了程序实现。首先通过程序流程图分析了返波管大信号的物理模型,得到了一个求解电场强度的自洽过程,然后用C++编程语言根据建立的数学模型进行编程,得到了返波管大信号理论的程序。4.用CST模拟了1.03THz、0.67THz和0.22THz的返波管。计算了每支返波管的高频特性,得到了每支返波管的归一化相速、平均耦合阻抗以及单位长度上的损耗。对每支返波管都进行了CST PIC粒子模拟,考虑了CST模拟网格划分的收敛性,通过改变慢波结构的周期数,得到了返波管的最佳饱和管长,在返波管管长取最佳饱和管长的情况下,电压调谐,得到了每支返波管在不同的振荡频率下的输出功率。5.将返波管大信号程序计算结果和CST模拟结果进行对比分析。主要包括了相同管长下输出功率的对比,不考虑谐波分离和不考虑空间电荷场时输出功率的对比,有相同输出时所需的耦合阻抗和平均耦合阻抗的对比,返波管起振长度和起振电流的对比,程序二次谐波分离前后的输出功率对比,空间电荷场对输出功率的影响等。通过详细分析,得到该返波管大信号程序计算的1.03THz曲折波导返波管在最佳饱和管长情况下与CST模拟的输出功率相差24%-51%,0.67THz栅加载矩形波导返波管在最佳饱和管长情况下是CST模拟输出功率的20倍,0.22THz曲折波导返波管在最佳饱和管长情况下与CST模拟的输出功率相差0.51%-38%。返波管大信号程序谐波分离前后的输出功率差异在20-30%左右,谐波分离后输出功率会降低。加入空间电荷场前后输出功率的差异在5%-10%左右,输出功率在加入空间电荷场后会升高。