螺旋线行波管具有频带宽、效率高、增益大及体积小等优点,是应用范围最广的中小功率微波、毫米波电真空功率源器件。在卫星通信、电子对抗、雷达及精确制导等军用和民用领域得到了广泛使用。　　 近十年来,基于新物理模型编写的行波管模拟程序,为螺旋线行波管整体性能的飞跃提供了一次契机,使得行波管的效率、功率和可靠性等指标突破了原有预测。本文详细研究了螺旋线行波管的注-波互作用理论,开发了三维大信号互作用程序IESTWT,并应用于空间行波管和宽带行波管的研制工作。论文的主要工作如下:　　 1)建立了改进的三维大信号注-波互作用理论。基于行波管中慢电磁行波的周期传输特性和能流坡印廷定理,考虑高频结构的衰减、切断、螺距的渐变与跳变对互作用的影响,推导出螺旋线行波管三维场论大信号自洽工作方程组。通过傅立叶展式将时域中的电流变换为与频率相关的交流电流分量,借鉴等效粒子模拟的方法,求解离散化的亥姆霍兹方程获得空间电荷场的三维数值解。计算三维电子轨迹和截获电流,得到精确的互作用后电子能谱分布,并为多级降压收集极的设计提供关键参数。　　 2)理论分析了毫米波螺旋线行波管慢波系统导体和介质损耗。基于夹持杆分层螺旋带模型和三维电磁场分析详细研究了毫米波螺旋线行波管慢波系统的导体和介质损耗。螺旋带模型中介质损耗考虑为纵向传播常数的虚部,给出螺旋带中电磁场的解析解,导体损耗由螺旋线和管壳表面的面电流不连续性获得。三维电磁场分析通过本征模法,求解单周期结构的品质因数和周期储能获得有限导电率导体和夹持杆陶瓷损耗角带来的慢波系统高频损耗。结果表明,毫米波段螺旋线的导体损耗和夹持杆的介质损耗远大于管壳导体损耗,介质损耗与陶瓷损耗角呈线性关系,对高频损耗的影响不可忽略。　　 3)采用MATLAB矩阵运算与GUI控件开发了可视化的“电子所行波管仿真设计软件IESTWT”,一体化模拟高频系统冷测参数和三维大信号互作用。给出T形杆、矩形杆、圆形和扇形杆四种常用夹持杆的无翼片慢波结构等效方法,并分析了螺旋带宽度对色散曲线、耦合阻抗的影响。与电子所和国外多个管型进行验证,表明该程序具有较高的可信性。对空间行波管的综合指标进行分析,系统研究了双渐变和动态渐变技术行波管的副特性指标-相移、调幅调相、多频特性等。该程序已应用于设计和参考设计电子所多个频段螺旋线行波管的研制。　　 4)采用IESTWT软件,模拟和研制了K和Ka波段空间和宽带波行波管。测试结果表明,基于场论模型的三维大信号互作用程序,在行波管的研制中发挥了重要的作用。研制了多种不同应用的50W和100W平均功率毫米波行波管。基于原有工艺的一次性制管,K波段空间行波管的总效率达到55％,Ka波段空间行波管总效率大于50％,宽带行波管的带宽实现26.5-40GHz全频带工作,总效率达到了30％。