行波管具有频带宽、输出功率大、效率高、动态范围大,环境适应性强等一系列优点,使得它成为了军事设备中应用最多的微波管。近年来,随着电子对抗、相控阵雷达等国防关键技术的发展,以及被誉为“超级器件”的微波功率模块(MPM)的兴起,对行波管的性能提出了新的要求。但是,在行波管性能显著提高的同时,相应的高频结构与互作用分布也越来越复杂,使得设计难度也大大提高,特别是对于MPM功率模块用的小型化行波管。所以,本论文围绕行波管的正向设计,主要做了以下几方面的工作:(1)在总结行波管设计流程的基础上,重点推导了行波管的电参数设计,包括效率分配,直流的电流电压,慢波相速的估计以及螺旋线尺寸的计算,给出了具体的计算解析式;研究了有无翼片加载对高频结构的高频特性的影响,在色散分布近似相同的情况下,比较了扇形翼片、T形翼片以及夹持翼片的高频性能,为高频结构的选取提供指导意见;在分析注波互作用过程的基础上,总结提出了提高行波管效率的方法,定性分析了双跳变慢波线结构对互作用效率以及谐波抑制的影响。(2)在皮尔斯小信号理论的基础上,定性推导了色散耦合阻抗成型原理,提出了色散耦合阻抗综合成型设计技术,给出了该设计技术的基本流程,并且用相应的行波管设计实例实现了对该设计技术的应用。相比于传统的行波管设计方法,该设计技术将行波管设计中的高频结构设计与互作用分布设计分离开,避免了互作用计算与高频结构优化间的反复的迭代,从而大大提高了行波管互作用区与高频结构的设计效率,同时设计的成功率也得到了很大的改善。(3)实际设计了一支用于MPM功率模块的2-6GHz小型化行波管的高频结构与互作用分布模块,通过给定的初始电参数等一系列指标,计算得到慢波相速,螺旋线的结构尺寸以及螺距值,在设计中验证了工作(1)中推导的行波管电参数以及螺旋线尺寸设计的数学计算式的正确性,利用MTSS进行仿真计算,验证了色散耦合阻抗综合成型设计技术的可行性,最终达到了设计要求。