行波管是雷达、电子对抗、通信等领域都在广泛使用的一类重要真空电子器件。行波管的电子光学系统用来控制电子注的产生、聚焦和收集,电子光学系统的设计与制造对保证行波管的性能至关重要。随着行波管工作频率的提高,高频结构尺寸缩小,与高频场互作用的电子注的半径相应缩小,电流密度增大,给电子光学系统的设计增加了难度。高度逼真的电子光学仿真软件极大地提高了行波管工作性能和研制效率。电子科技大学开发的微波管专用设计软件MTSS可对行波管进行全面、快速、准确的仿真。其中MTSS-EOS是专用的电子光学设计软件,MTSS-MFS是专用的永磁聚焦系统设计软件。利用MTSS设计行波管高性能电子光学系统,并提出提高性能和提高设计效率的设计方法,以及总结相关设计经验,具有重要的工程价值。本论文从工程设计角度出发,对高性能电子光学系统的仿真技术进行了研究。论文主要工作和创新点如下:(1)围绕电子枪的仿真设计,提出了基于MTSS-EOS的高性能电子枪快速设计方法,提升了电子枪的性能和设计效率。同时,在热发射数值计算模型研究的基础上,发现了MTSS-EOS中的热初速球面形状约束模型存在的缺陷,进一步改进了软件。(2)围绕收集极的仿真设计,论文研究了高可回收收集极入口状态优化方法,提升了行波管总效率。总结了综合提升收集极性能的设计方法,其中提出了能效抑制二次电子、降低回流的爪形收集极结构。(3)围绕磁聚焦系统的仿真设计,实现了联合磁场解析解和数值解快速准确设计PPM聚焦系统,实现了PPM聚焦系统对电子注的良好聚焦。还重点分析了电子枪过渡区磁场对电子注流通的重要影响。(4)依据电子光学系统仿真技术研究成果,设计了某Ku波段行波管的电子光学系统,研制的样管总效率大于67%。设计了某L波段行波管的电子光学系统,研制的样管总效率大于67%。仿真与测试数据的对比验证了本文提出的高性能电子光学系统仿真技术的有效性。最后,设计了某Ka波段行波管电子枪,设计结果达到了设计指标要求。