太赫兹辐射源的研究一直是太赫兹科学发展的关键技术,真空电子器件是重要的太赫兹辐射源之一。随着频率的增加,高阶模工作是高频真空电子器件克服频率限制的一种有效方法。模型竞争是目前高阶模工作需要解决的关键问题。电子注从中间穿过亚波长孔阵列结构,可以产生窄带增强的Smith-Purcell辐射。基于这种辐射特点提出了克服高阶模工作中模式竞争的新思路,并设计了工作电路。下面为主要的工作内容:论文首先基于电子穿过亚波长孔阵列结构产生的窄带增强Smith-Purcell辐射分析了该窄带增强辐射的特征和产生原因。然后,介绍了真空电子器件相关的特性参数,为后续将该辐射与真空电子器件结合来研究和和设计太赫兹辐射源提供了理论基础。根据上述窄带增强辐射现象提出了改善高阶模工作真空电子器件模式竞争的新设计方法。首先,在阵列周期确定时,孔长边可以调节Smith-Purcell辐射的峰值频率,根据预期器件的工作频率确定孔长边的值,并设置Smith-Purcell辐射主频带。然后,根据谐振腔高度与高阶模频率的对应关系,设计合适的谐振腔。最后,加上合适的输出结构,完成了腔体电路设计。根据上述方法,我们设计了工作在TM51-2π模,频率为468GHz的辐射源,并获得了 10W以上的仿真输出。并且进一步探索了该设计方法改善模式竞争的机制。为了研究该设计方法的适用性,从两个角度出发,快速设计了工作在不同高阶模的辐射源。首先,保持亚波长孔阵列不变,改变谐振腔的高度,使得TM31-2π模、TM71-2π模分别落到主频带,设计了工作在TM31-2π模、TM71-2π模的辐射源。如果保持谐振腔高度不变,调整孔长边的值来改变Smith-Purcell辐射主频带,使之分别对应到TM31-2π模和TM71-2π模,也可控制辐射源在TM31-2π模、TM712π模工作。带状电子注相对于圆柱形电子注在高频波段表现出了许多优点。本文采用带状电子注设计了工作频率为350GHz、工作模式为TM51-2π模的工作电路,获得了205W的输出功率。将Smith-Purcell辐射机制,引入互作用腔体电路结构设计,使其工作在高阶模同时抑制模式竞争,这为真空电子器件向太赫兹方向发展,提供了一种重要且可行的设计思路。