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。

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。

利用模式展开和场匹配理论,建立了具有突变结构谐振腔的散射矩阵.在此基础上编制了FORTRAN计算程序,并对Ka波段TE01模回旋速调管的具有突变结构的开放式输出腔进行了数值计算.分析了回旋速调管输出腔的腔体长度和半径变化,以及输出耦合孔的半径和厚度变化对输出腔的品质因数和频率的影响.结果表明:由程序模拟输出腔所得到的计算结果与HFSS软件的结果一致;与冷测实验结果相比,品质因数的相对偏差为1.65%,谐振频率的偏差为10 MHz.

对8 mm二次谐波回旋速调管中的注-波互作用,进行了PIC模拟计算,得到了高频结构尺寸、电子注参数、聚焦磁场等参数对输出功率、效率和增益的影响规律.在磁场系数0.511 8,电子注电压70 kV,电子注电流约16 A,输入功率约80 W时,得到约430 kW的输出功率,电子转化效率38%,超过37 dB的增益,3 dB带宽超过210 MHz.

对Ka波段工作模式为TE01模和TE02模的两种回旋速调管的输入耦合器进行了详细研究,利用模式匹配理论和HFSS建模仿真计算了内圆柱腔和外同轴腔的尺寸;提出了一种与软件计算相结合的模式纯度计算方法,对内腔工作模式纯度、内外腔能量分数进行了计算.内腔侧面上的耦合缝的大小、角向位置都直接决定外同轴腔内的TEm11模向内圆柱腔的TE0n1模的耦合情况.针对耦合缝与输入波导成45°和0°分布两种情况,研究了耦合缝长、宽和角向偏移,以及内外腔频差对频率、Q值及内腔能量分数的影响.分别设计了Ka波段内腔工作模式为TE011、外腔为TE411和内腔TE021、外腔TE811的两种输入耦合器,并利用矢量网络分析仪对内腔工作模式为TE011的耦合器进行了冷高频测量,测得频率为34.257 GHz,与计算结果34.300 GHz仅相差43 MHz.