行波管（Traveling Wave Tube）是在真空环境中,通过电子和电磁波相互作用,将电子动能转化为电磁能,实现电磁波放大的一类真空电子器件。太赫兹行波管是指工作在0.1THz～10THz的一类行波管。相比于半导体类太赫兹波源,其具有频带宽、噪声低、功率高的优势,输出功率甚至超过固态器件4-5个数量级。太赫兹行波管是填补“太赫兹空隙”,实现太赫兹通讯、太赫兹探测等装备不和或缺的“心脏”,因此研究太赫兹行波管具有十分重要的意义。慢波结构是行波管的核心部件,全金属慢波结构是慢波结构中的一个重要分支。全金属慢波结构因其全金属、无需其他介质支撑的特性,具有多项优势,如热耗散能力强、功率容量大、结构坚固、易于加工等。同时,它兼容新型微细加工技术,可以让结构更精确、尺寸更小,满足了行波管向太赫兹波段发展的要求。因此,全金属慢波结构太赫兹行波管成为了国际研究的热点。本文的研究工作主要包括以下几个方面:（1）基于一种经典的全金属慢波结构——交错双栅慢波结构,设计了工作在850GHz的带状电子束交错双栅行波管。首先,研究了850GHz交错双栅行波管慢波结构的高频特性,根据色散的结果确定模型尺寸。其次,设计了一种侧面拉出式输入输出结构并计算了传输特性,当行波管工作在820-880GHz时,S11小于-15d B,S2 1大于-0.5d B,S3 1和S41均在40d B以下。最后,进行了注-波互作用仿真研究,在电压为30k V,电流为0.12A的条件下,120个周期的单段结构在844-851GHz范围内增益为14d B以上,电子效率为1.5%,在850GHz处获得最大输出功率为5.3W,相应的增益为16.28d B,电子效率为1.6%。（2）基于另一种常用全金属慢波结构——折叠波导慢波结构,设计了工作在相同波段的柱状电子束折叠波导行波管。传输特性计算结果显示,当行波管工作在800～900GHz时,S1 1小于-15d B,S2 1大于-0.5d B,S3 1和S41均在60d B以下。注-波互作用的计算结果显示,在相同工作电压和电流密度的条件下,此时电流约为0.02A,120个周期的单段结构在857-864GHz范围内增益为14d B以上,电子效率为1.5%,在860GHz处获得最大输出功率为0.86W,相应的增益为16.3d B,电子效率为1.6%。（3）分别设计了满足交错双栅行波管和折叠波导行波管所需的电子光学系统。鉴于两种慢波结构电子注形状分别为带状注和圆形注,因此,根据皮尔斯电子枪结构,利用仿真软件CST分别设计了两种电子枪。最后,设计了电子注聚焦所需的永磁均匀磁场聚焦系统,均匀磁场稳定距离从Z=40mm到Z=110mm,最大磁场分量稳定在5000高斯左右。仿真结果均达到了设计要求。（4）对于太赫兹行波管所需要的金刚石输能窗进行了工艺方面的研究。首先,对850GHz波段的输能窗进行了设计仿真,然后分析了金刚石窗片薄膜金属化工艺的详细流程,接着对金刚石输能窗的可靠性采取实验验证,最后成功地实现了工艺较为成熟的850GHz输能窗,实验结果符合设计和工艺要求。