本文提出一种适用于工作在毫米波段（85~110 GHz）的带状注高效率曲折槽波导毫米波行波管，并进行了参数优化设计、加工制造和冷测实验研究。曲折槽波导首次采用一次改变周期相速跳变技术提高带状注毫米波行波管电子互作用效率。文中加工制造了三种不同周期个数（包含相速跳变和均匀相速两种类型）的曲折槽波导，并进行了S参数测试，其结果表明应用一次相速跳变技术的曲折槽波导具有良好的传输特性和较宽的带宽。此外，通过测量三种不同周期个数曲折槽波导的相位传输得到了不同周期p₀和p₁的色散曲线，其结果证明通过仿真得到的色散曲线和测量得到的色散曲线相吻合。文中注波互作用三维粒子模拟结果表明：当曲折槽波导慢波结构末端20个半周期采用一次相速跳变技术时，在频点95 GHz处输出饱和功率达到240 W，比同等条件下的均匀相速曲折槽波导行波管在95 GHz处高70 W。同时，曲折槽波导行波管采用一次相速跳变技术在频带85~110 GHz范围内电子效率明显得到提高，并且在95 GHz处最大电子效率提高了47%。

基于相位展开的欧拉大信号理论, 采用逐次逼近法推导得到场和AM/PM转换(输出相位对输入功率的导数)的大信号解析解。以一支Q波段毫米波行波管为例, 将大信号解析解与拉格朗日理论以及传统欧拉非线性理论进行对比。结果表明：大信号解析解的功率、增益和相移以及AM/PM转换与拉格朗日理论在线性区和中度互作用区十分吻合, 饱和增益最大误差小于8.5%。同时大信号解析解相较于传统的欧拉非线性模型具有更高的精度, 且能表现出饱和现象。

介绍了静电聚焦方式在毫米波行波管中的独特优势, 分析了周期静电聚焦场的建立方法。基于某Ka波段行波管, 首先根据指标要求设计了强流电子枪并选择类梳齿状结构作为其慢波电路, 然后对电子枪和类梳齿状慢波电路组成的电子光学系统进行了模拟计算, 最后对慢波电路的关键尺寸进行了容差分析。结果显示, 在周期静电场的作用下, 电子注全部平稳地通过了慢波系统。良好的静态通过率为后续高效率的注-波互作用奠定了基础, 证明了利用静电场聚焦毫米波行波管中大电流密度电子注的可行性。