太赫兹波因其独特的性质在安全检查、无损检测和成像等众多领域具有重要的使用价值，太赫兹科学技术是目前重要的前沿研究领域之一。太赫兹辐射源是太赫兹科学技术的前提条件。然而，由于缺乏实用可靠的太赫兹源，太赫兹科学技术的发展受到了制约。在太赫兹辐射源中，基于真空电子学的Smith-Purcell(SP)器件因其结构简单、便携、可在室温下工作等优势，可以发展成为紧凑可调的高功率太赫兹辐射源，具有广泛的应用价值。SP辐射，尤其是相干SP辐射，是SP器件发展的基础。开放式周期光栅是SP器件中进行注-波互作用的核心部件，它的优劣将直接影响SP器件的性能。本文主要对开放式介质加载光栅结构的二维和三维注-波互作用理论进行全面研究，包括理论分析、数值计算和软件仿真。并在此基础上开展了三段式光栅结构的高频特性和SP辐射特性研究。　　本研究主要内容包括：⑴提出了采用介质加载光栅结构作为SP器件的慢波结构，并对该结构的二维和三维注-波互作用线性理论进行了研究。采用场匹配法分析了该慢波结构的场分布并推导出“热”色散方程。在三维注-波互作用理论研究中，将电子注考虑成具有有限厚度和有限宽度的带状注，得出了适用于任意宽度电子注的光栅结构的“热”色散方程。采用数值计算得到色散曲线，其结果与模拟结果一致，证明了理论分析的正确性。⑵提出了两种求解注-波互作用增长率的方法:第一种方法是将“热”色散方程用泰勒公式在同步点展开，通过求解简化的方程，得到增长率。在一阶增长率基础上，首次提出二阶增长率的概念。第二种方法是利用Fortran语言编写了一套求解超越方程复数解的程序，将“热”色散方程代入程序，求解得出增长率。两种方法各有优势，第一种方法能够得到解析解，第二种方法计算速度快，适用范围广。此外，研究了结构参数和电子注参数对系统色散特性及注-波互作用增长率的影响，为SP器件注-波互作用研究奠定了理论基础。⑶研究了SP效应返波振荡器的起振条件，从“热”色散方程出发，结合电磁场边界条件，推导得出了起振电流满足的方程，并对影响起振电流的因素进行了全面分析。比较了介质加载光栅和金属光栅工作在返波状态时的起振电流，并对三维结构中带边墙和不带边墙两种情况进行了比较分析。证明了介质加载光栅以及三维带边墙结构能有效降低器件的起振电流。⑷建立了适用于研究SP器件注-波互作用的模拟方法和仿真模型。由于SP效应中参与注-波互作用的慢波结构处于开放空间中，辐射区域是整个光栅上空间，这给建模和仿真造成了很大困难。本文采用MAGIC软件，建立了电子注与开放光栅相互作用的仿真模型，通过该模型不仅能够研究电子注的群聚过程，还能直观地观察到开放空间的辐射场，为开放空间中SP辐射特性的模拟提供了有效途径。⑸提出了适用于求解任意形状槽开放光栅结构“热”色散方程的方法，即矩形阶梯近似法。将任意栅槽轮廓用若干矩形阶梯逼近，利用相邻阶梯间的阻抗匹配，结合场匹配法，即可得到适用于任意形状槽光栅结构的色散方程。分析了不同结构参数对色散曲线计算精度、增长率以及峰值增长率的影响。讨论了椭圆槽、余弦槽以及矩形槽三种形状槽光栅结构的色散曲线、相速和峰值增长率。理论计算与软件模拟结果一致，证明了此方法的正确性。⑹在上述理论和模拟研究的基础上，提出了三段式周期光栅结构。利用第一段结构对电子注进行预群聚，经过漂移段的进一步调制得到电子束团，从而在第三段开放光栅中激励起SP相干辐射。理论分析了该结构的工作机理，并对其辐射特性进行了研究，在第三段开放光栅结构中成功观察到了二次谐波的辐射。比较了该三段式结构和单段式结构的起振电流和辐射强度，结果显示:采用该结构后，SP效应振荡器所需的起振电流大大降低了且辐射强度也有所提高。