折叠波导行波管凭借其高功率、宽带宽、结构强度高且易加工等特性,在通信、成像、电子对抗等领域具有广泛的应用前景。为了应对新的机遇与挑战,本文围绕着折叠波导行波管的注波互作用模型以及折叠波导行波管在太赫兹与通讯领域的新器件、新技术这三个方面开展研究。主要的工作与创新点如下:1.折叠波导行波管的非线性注波互作用研究。针对耦合阻抗在近截止区易导致互作用计算不精准的问题,使用特征阻抗替代耦合阻抗,并分析了折叠波导在模的特征阻抗;对折叠波导的损耗特性进行分析,在截止区使用品质因数替代衰减常数。与HFSS的对比中,模型计算的高频特性结果与HFSS基本相符,且计算速度有明显的优势。提出了用于折叠波导行波管的腔级联非线性互作用分析模型。该模型将整段慢波电路看作是一系列腔体级联而成,每个腔体中的电子注被看作激励源,互作用过程被视为对有源传输矩阵的求解。该模型突破了传统互作用分析的限制,可以分析折叠波导行波管频带内甚至是过截止区域的互作用过程。2.腔级联模型的程序实现与实验验证。基于上述理论分析,编写了互作用程序,并阐述了注波互作用的计算过程。为了验证模型的计算准确性,设计了一支E波段折叠波导行波管,并将其互作用计算结果与实测结果进行了对比分析。另外,还将腔级联模型的计算结果与一支Q波段折叠波导行波管的实测结果进行了对比,结果显示两者的计算结果差距在10%以内;为了验证腔级联模型在折叠波导近截止区域的互作用计算,设计了一种特殊的三段式慢波线,并分别使用腔级联模型与CST进行注波互作用模拟,两者结果一致。腔级联模型对折叠波导行波管的精确设计具有良好的指导意义。3.太赫兹倍频行波管的研究。为了克服太赫兹行波管驱动信号源成本高、功率水平低的限制,提出谐波放大的概念并设计了一种折叠波导倍频行波管。在输入E波段信号时,倍频行波管通过放大输入信号的四次谐波来获得太赫兹输出。使用腔级联模型与粒子模拟的方法对太赫兹倍频行波管的注波互作用进行了模拟分析。结果显示当输入信号的频率为85 GHz-87 GHz,输入功率为200 m W时,得到了大于100 m W的太赫兹功率输出,对应的频率范围是340 GHz-348 GHz,峰值功率为350 m W。模拟结果证实了放大高次谐波信号对于获取高功率太赫兹源来说是一种富有前景的新思路。4.双注级联增强倍频行波器件的研究。在倍频行波管的基础上,提出两种新型的太赫兹双注级联倍频行波器件,即级联增强倍频行波器件和预放大倍频行波器件,用以进一步提升太赫兹功率输出。使用腔级联模型和粒子模拟方法对两种器件进行注波互作用模拟。计算结果表明两束电子注的电压和电流相同的情况下,输入信号的功率为200 m W,频率范围为85 GHz-87 GHz时,级联增强倍频行波器件的输出功率大于400 m W,峰值功率在346 GHz处为1100 m W。对于预放大倍频行波器件,输入信号频率范围为84.5 GHz-87.5 GHz,输入功率为200 m W时,输出信号的频率范围为338 GHz-350 GHz,功率大于600 m W。3 d B带宽可以扩展到16.5 GHz。5.折叠波导行波管的增益均衡特性研究。为改善折叠波导行波管的增益均衡特性,使其适应高速率通信对低误码率的需求,提出了一种增益均衡设计方法。该方法通过引入色散增强段,在提升带内高频端增益的同时抑制低频段的高增益,从而实现器件的增益均衡。运用增益均衡方法通过腔级联互作用程序设计了一支Q波段三段式折叠波导行波管。在与常规的折叠波导行波管的对比中,三段式折叠波导行波管在带宽内的增益波动可以从4 d B降低至0.3 d B,3 d B带宽也扩展了45%。为提升器件增益均衡特性提供了有益的解决思路。