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回旋管能在毫米波乃至THz频段产生千瓦甚至兆瓦级连续波相干辐射，具有重要应用价值。由于传统的基波回旋管对工作磁场要求苛刻，应用价值受到限制。采用谐波回旋管能有效降低磁场要求。但是，谐波回旋管面临低次谐波模式的严重竞争，往往难以实现单模工作。针对这一问题，本论文采用具有模式选择性的iris谐振腔和PBG谐振腔，开展了W波段三次谐波回旋管理论分析、数值模拟和实验研究。为了选择性增加谐波模式的绕射品质因子，论文分析了iris谐振腔对模式绕射品质因子的影响。线性理论分析表明采用iris谐振腔能够选择性增大谐波模式的绕射品质因子，从而选择性降低谐波模式的起振电流。而绕射品质因子的增加，使得更多电磁场能量约束在腔体内，能够增强束波互作用。因此，iris谐振腔有利于谐波模式的起振。自洽非线性理论分析结果表明iris结构可以增加三次谐波模式的工作磁场范围，并且能明显提高束波互作用效率。为了降低腔内模式密度从而避开模式竞争，在iris谐振腔中工作模式采用低阶边廊模式TE61。PIC数值模拟证明TE61模式在iris谐振腔中可以实现三次谐波单模振荡。在实验中成功观测到了94.87GHz的三次谐波单模振荡。这是国内首次实现W波段三次谐波回旋管，测量得到的输出功率5.5kW，对应输出效率约为4%。实验结果与理论分析有较好的吻合。为了获得更好的模式选择性，尝试对二维正三角形阵列PBG结构进行了研究。采用有限差分法分析了PBG结构中TE模式的色散特性，导出了全局带隙。分析结果表明，对于回旋管通常采用的TE模式而言，这种PBG结构没有截止频率。利用PBG结构的这种频率选择性，可以设计只能束缚三次谐波模式的PBG谐振腔，避免低次谐波模式的竞争。通过软件仿真研究了PBG谐振腔中的电磁模式。选择角向对称性良好的TE04为工作模式，该模式场分布与圆波导中TE04模式场分布很接近。在PBG腔谐波回旋管初步实验中成功观测到了91.75GHz～96.62GHz的三次谐波振荡信号。这是首次采用PBG结构研制谐波回旋管并成功观测到回旋谐波信号。实验结果表明PBG腔谐波回旋管可以通过调节磁场进行宽带步进调谐。