为研究螺旋波纹波导的色散曲线特性，利用阻抗微扰法对螺旋波纹波导色散方程进行求解，并分析了波导尺寸的变化对色散特性的影响。针对目前采用谐振法仿真色散曲线时存在模式分割以及谐振点的选取问题，利用行波法(不属于波纹波导理论体系下的新方法)对不同频率下的色散值进行仿真求解。研究结果表明，基于行波法仿真得到的色散曲线与由Matlab计算得到的理论色散曲线吻合度好，计算过程不涉及波纹波导理论体系下谐振点的选取问题，相比传统的谐振法，整个仿真计算过程更简洁。

采用谐波工作的回旋管互作用磁场比基波磁场降低了1/s，可降低整管磁场设计难度，具有较大的应用前景。通过对W 波段二次谐波回旋行波管高频介质加载结构、模式竞争和注波互作用研究，确定了该放大器的工作参数。非线性模拟表明，当应用100 kV，20 A，α=1.2 的电子注时，该回旋管可在91 GHz 频率处产生465 kW 的输出功率和49 dB 的增益结果。并且，基于耦合波理论，讨论了一个轴对称半径微扰的TE02~TE01 输出模式变换器，效率在95%以上时，其带宽达到4 GHz。

给出了一种十字交叉型TE□10-TE○01宽带模式转换器的设计原理, 同时完成了一套W波段低损耗输入耦合系统的设计方案。根据该设计方案在电磁模拟软件HFSS中建立三维模型进行优化仿真。得到了衰减为0.14 dB、最大驻波比为1.388、带宽为10 GHz的高性能TE□10-TE○01宽带模式转换器。同时计算得到整套传输系统的衰减小于1 dB, 远小于采用矩形波导TE10模式的衰减(约15 dB), 大大提高了传输效率, 降低了能量损耗。实际加工得到了一对模式转换器, 经测试可得其衰减为1 dB左右, 整套系统的衰减约为3 dB, 与矩形波导(衰减约为15 dB)相比, 有了很大的提高。

为了解决目前3 mm回旋行波管所使用的蓝宝石输出窗因功率容量不足而发生破裂的问题。从抗热震性和功率容量两个方面出发，对常用的几种窗片材料进行了对比。在国内首次以微波等离子体化学气相沉积金刚石为窗片材料，利用数值计算及ANSYS软件仿真设计了用于3 mm回旋行波管的低反射，低吸收，宽带宽，高功率容量的输出窗。结果表明，所设计的输出窗适用于TE01模式输出，其S11参数小于-20 dB的带宽为6 GHz。同时，该输出窗具有良好的抗热震性，在自然对流散热条件下具有61 kW的功率容量。

利用粒子模拟软件和热分析软件，对W波段回旋行波管收集极区的电子轨迹和热分布进行了仿真计算。通过对收集极磁场参数的优化，调节了收集极区的电子分布，使得电子轰击区域从17.05 cm2增加到28.52 cm2，提高了67%，从而降低了单位面积的功率密度。通过对收集极内壁热分布的仿真分析，确定了1 kW/cm2的功率密度及1.12 L/s的冷却水流量，以确保收集极内壁温度低于材料熔点，不会产生物理损坏，使得收集极能够稳定工作，保证了管子的工作稳定性。通过热仿真计算验证了优化方案的可行性，并已应用于实际。

根据边界元法建立物理与数学模型,编制了计算磁控注入枪的程序。使用该程序设计和模拟一个工作在35 GHz,70 kV,10 A基波回旋行波管放大器的双阳极磁控注入枪,获得较好的模拟结果。并对电子注在不同工作电压和磁场下的质量进行了分析计算。计算表明,边界元法在分析回旋器件电子光学方面是一种非常有效的方法。

在传统行波管的放大过程中,随着电子纵向群聚的加深,由于空间电荷效应导致的非线性效应,影响了行波管的输出性能.介绍了一种新型的行波管并分析了其作用机理,分析了这种新型行波管慢波系统的结构及其色散特性,讨论了T形齿结构和梯形齿结构慢波系统几何尺寸对工作性能的影响.通过圆极化行波的高频横向电场调制电子束,导致电子束在空间的扭转,使得电子在放大过程中没有经过纵向群聚而处于减速场中,消除了非线性效应,提高了行波管的输出性能.

通过螺旋波纹波导的耦合波方程,考虑到波的左右旋转方向及波的前向和反向等因素,给出了波导中可能存在的所有模式,由耦合方程的特点和布拉格条件分析了各模式之间的关系,给出对应于螺旋波纹波导回旋行波管和螺旋波纹波导回旋返波管的模式耦合特点,并给出耦合关系和波导的模式耦合规则.结合螺旋波纹波导的色散方程,讨论了不同波纹周期和波纹起伏程度对模式耦合的影响:波纹周期的增大,使得电子注的加速电压变大;如果波纹周期太小,则工作模式线性变得很差.阐述了螺旋波纹波导回旋行波管克服模式竞争的机理.纹起伏程度较大,工作模式和非工作模式分离程度变大,对克服模式竞争比较有利.