利用场匹配理论，建立了具有突变结构谐振腔的级联散射矩阵.通过数值计算，完成了Ka波段TE01模回旋速调管的输入腔、群聚腔、输出腔的设计与制作.同时给出了一支Ka波段TE01模四腔基波回旋速调管高频系统和整管的优化设计方案.PIC模拟表明：在中心频率34 GHz、注电压70 kV、注电流11 A的情况下，获得了输出功率390 kW，饱和增益42.9 dB，电子效率50.6%，3 dB输出带宽360 MHz的结果. 通过样管的热测实验显示在34 GHz，注电压70 kV，注电流11 A，获得了301 kW的稳定输出脉冲峰值功率，41.8 dB的增益，39.1%的效率，285 MHz的3 dB输出带宽.

介绍了W波段四腔回旋速调管放大器的设计.放大器工作在基膜TE01圆电模式，电子束工作电压70 kV，工作电流6 A，设计的双阳极磁控式注入电子枪，电子束纵横速度比1.5，速度零散小于4%.采用粒子模拟方法分析了各种参数对器件性能的影响.模拟结果显示，设计的放大器在电子束速度零散4%的情况下，增益35 dB，带宽800 MHz，输出功率100 kW，效率为23.8%.

针对蛇形圆波导变换器尺寸大和带宽窄的不足，提出了变周期蛇形圆波导模式变换器，以实现TE01到TE11模式的高效率转换。根据耦合波方程，编制了优化计算程序，对工作于30.5 GHz、半径为16 mm的变周期以及传统蛇形变换器几何结构分别进行了优化计算，得到了可实现最高模式变换效率的几何参量。计算结果表明：传统结构变换器最优长度长达1 056.97 mm,转换效率98.1%，90%以上转换带宽也仅为33%；变周期变换器最优长度为769.53 mm，转换效率为99.3%，90%以上转换带宽为5.9%。变周期结构相对于传统结构的模式变换器具有尺寸小和带宽宽的明显优势。测试表明所提出的模式变换器具有良好的模式变换性能。

推导出了由两个无量纲量群聚系数与相位系数构成的非线性运动方程，并对其进行了数值计算分析。数值计算结果表明:通过优化设计参数，当谐波回旋速调管工作在放大区时，其基波、二次谐波、三次谐波、四次谐波的纵向互作用效率分别可达到55%,40%,30%,15%；当其工作在振荡区时，其基波、二次谐波、三次谐波、四次谐波的纵向互作用效率最高分别可达到93.9%,88.2%,81.8%,62.7%。

利用自洽非线性理论对回旋速调管放大器中的电子注波互作用进行了时域瞬态分析，建立了多腔回旋速调管非线性理论，给出了相应的电子运动方程和复数形式的互作用瞬态场方程。给出并分析了一支工作在TE01模Ka波段四腔回旋速调管注波互作用的数值计算结果，当电子注电压为72.8 kV，电流为118 A，速度零散为5%时，可以得到335 kW的最大饱和功率输出，39.6%的电子效率及320 MHz的饱和带宽，与实验值相比较，二者较为吻合。

对8mm高功率二次谐波回旋速调放大器进行了理论研究和优化设计，已研制出回旋速调放大器实验样管，并进行了热测实验，得到了如下结果：在中心频率为35GHz的情况下，得到的最大脉冲输出功率为180kW，效率为13％，增益为21dB；在电子束电压为58kV，电子束电流为25A的情况下，得到了150kW的输出功率，3dB带宽110MHz(0.3％).

设计了一支3 mm 波段基波回旋速调管,该回旋速调管工作在低损耗的TE01模式,包含四个谐振腔。首先使用线性理论确定工作参数的大致范围, 然后采用HFSS软件设计单个谐振腔,通过调整谐振腔尺寸和腔壁介质层参数使谐振腔的谐振频率和Q值符合设计要求, 最后使用粒子模拟程序优化设计了回旋速调管的互作用电路,研究了谐振腔参差调谐方案, Q值对回旋速调管性能的影响, 互作用电路的稳定性以及电子注参数变化对注-波互作用性能的影响。PIC粒子模拟结果表明,在电子注电压65 kV, 电流6 A, α(V⊥/V∥)1.5, 工作磁场3.6 T时,回旋速调管的3 dB带宽约为600 MHz,在93.7 GHz获得139 kW 的峰值输出功率,效率为35.6%,增益为28.4 dB。模拟中没有考虑电子注速度零散的影响。

用模式场匹配理论建立了散射矩阵,数值模拟并分析了加载损耗介质层对群聚腔Q值、谐振特性以及群聚腔两端漂移段半径的大小对谐振特性的影响.研究表明:加载损耗介质在高频率下使群聚腔主要寄生模式EH₂₁₂和EH₃₁₁得到极大的抑制,对工作模式H₀₁模更有利;衰减常数随损耗层厚度的增加而迅速增加,Q值随介质厚度的增加迅速减小,因此在设计腔体时必须严格控制损耗材料厚度.最后为正在研制的回旋速调管设计了满足要求的低Q群聚腔,该腔冷测实验结果与计算结果基本一致.

多腔回旋速调管中的调制腔采用内外腔同轴结构,对回旋电子注角向群聚起着关键作用.用场匹配理论及HFSS软件对调制腔冷腔特性进行了研究,对多种输入结构、耦合缝尺寸和方位、腔体长度、半径进行了模拟.分析表明,耦合狭缝中心线与输入波导轴线成45°,耦合缝长度达到0.72时,内外腔储能比值达到41.65;耦合缝尺寸对腔体Q值影响较大,但并非呈简单线性关系,并且Q值对缝长的变化比缝宽的变化要敏感得多;而狭缝尺寸变化对谐振频率的影响不大;计算了内外腔储能,得到了模式转换效率高、内外腔储能比高、性能优良的调制腔.

给出了自洽非线性大信号理论分析方法,在理论分析和高频计算的基础上,建立了回旋速调管放大器注-波互作用计算模型,对其进行数值计算.研究多种参量对放大器输出功率、增益、效率等的影响,通过优化得到了中心频率34 GHz的四腔回旋速调管放大器设计方案.粒子模拟表明:在工作电压65 kV,注电流8 A,电子注横向与纵向速度比为1.5时,输出功率230 kW,带宽230 MHz,电子效率45%,饱和增益33 dB.