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回旋管是一种能够在毫米波以及太赫兹波段产生高功率电磁辐射的相对论非线性器件。随着可控热核聚事业的不断发展,在磁约束热核聚变中电子回旋加热及电流驱动系统对高功率高频率微波源需求也不断的提高。回旋管是被证明目前可以实现其对频率和功率双重要求的器件。特别是在毫米波频段,回旋管在高功率连续波方面拥有着巨大的优势,所以其也是目前各个在运行的热核聚变堆的主要高功率微波源。随着对功率和频率需求的进一步提高,回旋管的工作模式阶数需要进一步提高来增大注-波互作用腔体的尺寸,从而增加功率容量和减小尺寸共渡效应的影响。但是高功率回旋管的高阶模式工作带来了一个严重的问题—模式竞争,其是阻碍高功率回旋管正常工作的一个重要因素,因此对该类问题的研究是非常必要的。同时,在高功率回旋管中（特别是兆瓦级回旋管）,高频腔体内的欧姆损耗问题也是需要特别考虑的,由其导致的腔体热形变对注-波互作用的影响尤其是不容忽视的。本论文结合我校参与的国家重点研发计划政府间国际科技创新合作专项磁约束核聚变能发展研究项目“长脉冲高功率回旋管关键技术研究”子课题及其它相关课题,对涉及高功率回旋管高频腔体内的多模注-波互作用等非线性问题进行分析与研究。主要的研究内容如下:1.基于时域自洽非线性注-波互作用模型、传输线方程及电子运动方程编制了相应的数值仿真计算代码,并与KIT现有成熟的数值代码EURIDICE及CST模拟软件进行了对比验证。2.设计了一只95GHz、400kW级的回旋管,该回旋管工作于高阶体模TE22.6模式。利用开发的数值代码对该回旋管进行了详细的时域多模自洽注-波互作用非线性分析,同时模拟分析了电子注质量如电子注厚度和速度零散对注-波互作用的影响。最后,对该回旋管进行了组装、真空处理及热测实验。在电压为51.6 kV（脉宽为30 us）、电流为24 A、磁场为3.615T的测试条件下,获得了输出功率为435 kW,检测的频率为95.21 GHz。3.针对高功率回旋管高频腔体的欧姆损耗方面的问题,本文从电磁学-热力学-结构力学三个方面对该类回旋管的高频腔体结构进行了多物理场分析。详细研究了课题组研制的工作于TE28.8模式的140 GHz,MW级回旋管的高频腔体系统。详细分析了不同冷却水流量情况下腔体受热形变对腔体的高频特性及腔体内多-模注波互作用的影响。4.基于未来第一代商用DEMO类聚变堆对多频高功率回旋管的应用需求,从理论方面研究并设计了工作于210-240-270 GHz的MW级回旋管。详细阐述了该类回旋管工作模式组的选择方式,最终选取了TE-35.15/TE-40.17/TE-45.19模式组分别作为210 GHz、240 GHz和270 GHz工作时的主模。以线性分析为基础,对于各工作频率下的工作状态进行了非线性的时域多模自洽注-波互作用分析,其中在模式起振过程中考虑了双阳极电子枪的电子注调控过程。在分析中,分别考虑了理想电子注和非理想电子注（电子注速度离散和电子注厚度）情况下,各个工作频率下的多模注-波互作用情况。