近年来,由于在功率、带宽和效率等方面的卓越表现,扩展互作用器件(EID)的发展尤为迅速。尤其是在毫米波器件应用上,扩展互作用振荡器(EIO)在低空导航和目标定位雷达等方面受到了广泛的关注。此外,高功率辐射源目前还被用于分子光谱、医学诊疗、生物光谱和高速率通信等领域。日益变高的工作频率和器件体积大小之间的冲突限制了高功率辐射源的进步。在高频率波段,例如毫米波段,抑或是太赫兹波段,EID的出现使得之前由于速调管尺寸的变小而带来的困难得到了解决,让这些器件能够在比原先更高的频率上正常工作。EID同时具有行波管和速调管的优点,发展成一种具有宽频带、高输出功率、高增益的电真空器件。随着EID向更高的毫米波段发展,器件尺寸的减小,如何通过改善器件的高频结构来提高功率成为了EIO的研究重点之一。本论文主要内容包括:概述了EID的发展、工作原理及现状,并简要概括了EID中的基本理论;研究一款新型耦合槽结构的耦合腔,类比了不同耦合槽结构的耦合腔冷腔参数特性。不同耦合槽结构的高频系统的设计及优化;通过PIC仿真分析了不同耦合槽结构对输出功率的影响以及耦合腔结构中几个重要参数对于输出功率的影响。同时还选择了其中一种耦合槽结构并将其应用于EIK中,研究分析了该EIK的冷腔及热腔特性。本论文研究内容及创新点如下:(1)设计了一款新型的螺旋型耦合槽高频结构,并对其冷腔特性进行了分析。并根据该结构设计出了一款新型的EIO,同时对其热腔参数特性进行了研究。(2)选取出几种耦合腔中不同的耦合槽类型,例如:修斯结构、Chodorow结构、单耦合槽直线排列结构、双耦合槽90度交错排列、相邻耦合槽呈相同角度旋转排列型等,保持这些结构尺寸一致,从而避免其他因素对研究结果造成一定的影响。(3)根据不同的耦合槽类型设计出基于不同高频结构的EIO,通过对比冷腔参数,如色散特性,场分布,互作用阻抗和耦合系数等,初步得出不同耦合槽结构之间所存在的差异,推测基于哪种耦合槽类型的耦合腔在热腔仿真时具有更好的输出表现。(4)选取四种典型的耦合槽结构作为器件的高频结构,设计出四种基于不同耦合腔结构的EIO,通过分析CST热腔仿真结果,得出输出功率表现最好的一种结构。分析器件的尺寸参数对于器件性能的影响,通过改变其中两个重要参数来研究输出功率的变化。最终结果得出:四种结构的EIO输出功率均大于1.7kW,且单耦合槽直线排列结构具有最大功率输出,为2.8kW,效率为18%。(5)基于Chodorow型耦合腔结构设计出了一款四腔EIK,通过参数扫描最终得出其最佳功率输出为265.65W,效率为2.95%,增益为21.55dB,该器件的3dB带宽为230MHz。