由于行波管把大功率和宽频带很好兼顾的特点在众多微波电真空器件中具有不可替代的地位。行波管从20世纪40年代被研制出来发展到现在已经能给出连续波千瓦级和脉冲兆瓦级的功率,它广泛应用于民用通讯卫星,医疗诊断和国防军事电子等众多领域。随着应用领域的不断扩展和应用环境的要求,大功率行波管成为了研究热点。本文主要研究了Ka波段大功率行波管,慢波结构分别采用了常规结构和过截止两种不同的设计方式,同时还设计了慢波结构匹配良好的传输系统。目标是在33-37GHz的频带内产生大于5kW的功率输出为以后更大输出功率的行波管提供理论基础和技术支撑。另外本文还针对影响行波管性能的离子噪声,开展离子噪声影响因素及抑制方法研究。本文的主要研究内容有:1、对慢波结构的高频特性理论进行了详细介绍,对慢波结构不同的尺寸参数对其色散特性和耦合阻抗的影响进行了细致分析,为确定慢波结构具体的尺寸参数提供了理论依据。2、利用FWGTWT软件进行注波互作用软件计算,得到在电压24750V,电流2.5A的工作条件下,在33-37GHz工作频段内整体输出功率大于5kW,频带内整体电子效率大于10%,增益大于37dB。最后利用CST软件在已知的设计结构上建立三维仿真模型进行整管的PIC粒子模拟,论证了此设计的正确性和可行性。3、对双曲圆弧过渡波导,衰减器,输能窗传输系统进行了设计仿真。仿真结果显示传输系统与折叠波导慢波结构匹配良好,性能优良。4、提出了一种新型的相速跳变过截止慢波结构方案,仿真结果显示在电压25400V,电流2.5A的工作条件下,可以在33-38GHz工作频段内整体输出功率大于5kW,并且靠近截止区域频点增益得到了抑制,减少了自激振荡的风险。与常规折叠波导慢波结构进行对比电子效率得到了提高,特别是带宽拓展了25%。5、采用二维粒子模拟软件OOPIC来分析离子噪声,以管内宏粒子数随时间的变化、电子的平均动能的波动频率和幅度作为离子噪声强弱的表征,通过对管内离子数量和电子平均动能随时间变化的深入分析,揭示出离子噪声与真空度、管子长度、聚焦磁场和收集级的关系,并提出抑制离子噪声的方案。