扩展互作用器件体积小、重量轻、结构紧凑,在毫米波及更高的太赫兹频段上可实现大功率输出,相对于速调管、行波管、回旋管等器件有显著的特点和优势,对于毫米波及太赫兹技术的发展具有重要意义。目前国内对于微波毫米波电真空器件的研究主要集中在速调管、行波管和回旋管等器件方面,在扩展互作用器件方面开展的研究工作很少,存在很大的不足。本文从运动学角度出发,在小信号条件下分析了扩展互作用器件中的物理过程,研究了扩展互作用腔的耦合系数和电子电导等特性,分析了扩展互作用结构在高频段应用的优势,扩展互作用腔体同时具有谐振腔与慢波线的特点,增加了特性阻抗和耦合系数,提高了互作用效率,同时也增大了功率容量,扩展互作用结构可对电子注进行有效的调制,显著缩短了各个腔体之间漂移段的长度,器件结构紧凑。计算机模拟在电真空器件的设计过程中起到的作用越来越重要,国内外也有多种仿真软件,但是计算时间通常需要数十、上百个小时,对器件的研发设计仍是一个极大的限制。本文基于一维模型,使用C++语言编制了扩展互作用振荡器和放大器的非线性程序。我们将冷腔电磁仿真软件得到的场分布代入非线性程序进行计算,能够十分迅速地模拟注波互作用过程。在相同计算机硬件条件下,非线性程序计算时间约为PIC仿真软件的千分之一。结合电磁仿真软件,非线性程序显著缩短了器件的研发时间,在参数优化和器件设计方面具有较大的应用价值。本文对35GHz矩形结构EIO、35GHz矩形结构EIK、220GHz矩形结构EIK进行了深入系统研究,分析了不同间隙数情况下扩展互作用器件的特性、扩展互作用器件与传统单间隙腔体器件的特性差异,发现扩展互作用器件在大功率应用上具有显著的优势。结合小信号理论分析、非线性程序模拟和PIC仿真软件验证,提出了一套适用于扩展互作用器件的分析与研发方法。提出了一种径向扩展互作用结构,与传统的扩展互作用器件相比具有较大的阴极面积,显著提高了工作电流并降低了阴极电流密度。在大功率应用方面该种新结构具有很大的研究价值与前景。本文对径向扩展互作用振荡器模型进行了理论分析、非线性模拟、PIC模拟验证,同时对电子光学系统进行了分析,证明了该种结构的可行性。