矩形截面Cerenkov脉塞(Rectangular Cerenkov Maser:RCM)是20世纪中期兴起的一类新型高功率微波源。它是高功率微波技术(High Power Microwavetechnology:HPMT)领域研究的重要分支,在国际上受到了广泛的关注。凭借其产生高功率、高频率相干微波辐射的能力,很宽的频率调谐范围,以及结构简单紧凑的特点,RCM已经成为现代毫米波雷达、通信系统、等离子体加热、材料科学、高能粒子加速器、微波遥感、热核武器效应模拟等领域内最具潜力的高功率毫米波源之一。　　 本文开展了对采用周期金属格栅和介质衬里两种慢波结构分别作为注－波互作用电路的RCM的理论与仿真方面的研究工作。主要研究了上述两种慢波结构的电磁波传输特性,包括冷态(无电子束)色散方程、电磁场的分布图样以及慢波结构的几何参数对色散特性和电磁场最大值出现位置的影响。通过求解等效多层场匹配的本征值问题,建立了带状电子注与RCM中电磁模式互作用的三维物理模型,发展了RCM注－波互作用的线性分析理论,获得了线性增长率的表达式及Cerenkov器件在线性工作区的主要工作特性。同时,为了避免由慢波结构两端边界突变而引起的反射形成振荡,本文基于耦合模式理论,分别采用等效传输线法和场论分析法,探求了用于实现光滑金属波导与上述两种慢波结构匹配的渐变段(模式耦合器)的分析与设计方法。通过对RCM大量的理论与仿真研究工作,本文所获得的主要研究成果可以概括如下:　　 一、为了寻求稳定高效的慢波结构,本文以介质衬里或周期金属格栅慢波结构这两种方式作为RCM的注－波互作用电路,获得了相应电磁模式的分布图样以及各种参数变化对电磁场最大值的影响。　　 二、为了拓展器件的工作带宽,研究了上述两种慢波结构(介质衬里和金属格栅两种情况)的色散特性,推导了相应的冷态色散方程。通过数值计算,求解了冷态色散方程,并将数值计算结果与HFSS仿真软件的结果进行了比较,验证了理论分析的正确性。　　 三、为了获得慢波结构最佳渐变段的有效分析和设计方法,减小尾端反射、抑制振荡,本文采用等效传输线法,建立了周期金属格栅RCM渐变段的等效电路模型。基于等效传输线分析法和HFSS仿真,完成了金属格栅渐变段的理论分析工作,设计了一个工作频率为78.1GHz,以TEz10.模为输入模式、TEx10模为输出模式的指数型渐变段,总反射系数为0.025,实现了光滑金属波导与RCM慢波结构的平滑过渡。　　 四、基于耦合模式理论,通过对Maxwell方程大量的矢量变换与运算,以及电磁场的本征模式展开,推导了介质衬里RCM渐变段的耦合模式方程及其近似解的表达式。通过Matlab数值计算,获得了渐变段上介质填充率对模式耦合的影响、模式转换因子及耦合功率沿渐变段纵向位置的分布,给出了工作频带30－40GHz内耦合功率的分布情况。　　 五、建立了带状电子注与周期金属格栅慢波结构互作用的三维物理模型。由场匹配法、博格尼斯(Borgnis)位函数法和分离变量法,推导了混合模式热色散方程(含电子束)及其近似解的表达式。通过数值计算与HFSS仿真,详细分析了电子注与金属格栅表面间隙距离、电子注厚度、电子注电压、电子注电流密度及波导宽度等参数对系统的线性增长率的影响。　　 六、建立了带状电子注与双层介质衬里慢波结构的三维注－波互作用物理模型。通过求解等效多层介质中场的匹配问题,获得了注－波互作用结构的混合模式热色散方程。在稀电子柬假设的条件下,基于色散方程在同步点(共振点)处的泰勒级数展开,得到了系统线性增长率的表达式。通过数值计算与HFSS仿真,分析了热态下介质层厚度、电子注电压、电流密度、电子注厚度及电子注与介质层间隙距离等主要结构参数和电参数对系统增长率的影响。