对毫米波频段的利用在信息传输、探测等领域具有非常重要的意义,毫米波也是5G通信重点发展的频段之一。毫米波成像、无线通讯等技术的发展催生出了对宽频带和大功率毫米波源的巨大需求,而毫米波的真空电子器件是满足这一需求的重要途径。毫米波带状束行波管具有较宽的带宽,同时其采用的带状电子束能够有效扩大所携带的电流,提高输出功率,是实现宽频带与大功率输出的绝佳选择。然而,由于行波管的工作原理要求电子与电磁波的相速保持同步关系,而随着电子在与微波的相互作用中失去动能,电子的速度会逐渐慢于行波的相速进而使同步条件遭到破坏,导致注波互作用无法继续进行。这一问题使得行波管的互作用效率普遍偏低,极大的限制了带状束行波管的输出功率。有鉴于此,本文重点研究了带状注行波管中的高效注波互作用技术以及改善此类器件的放大性能的方法,本文的主要内容如下:1、研究了交错双栅慢波结构的特性,并分析这些特性对带状束行波管中电子与电磁波之间相互作用的影响;2、基于行波管的大信号理论并结合带状束行波管的特点编写了一套采用数值方法计算行波管注波互作用的一维非线性理论程序,利用该程序分析行波管注波互作用的过程并得到效率、输出功率等结果;3、通过非线性理论程序和智能优化算法对行波管的全周期相速渐变结构进行优化,提高带状束行波管的互作用效率;4、通过三维仿真软件CST计算带状束行波管的互作用效率,检验先前通过程序优化的行波管高频结构。计算结果表明经过优化设计的高频结构在程序计算和仿真验证中都获得了较大的效率提升,并结合实验室需求在Ka和Ku频段进行了优化和验证;5、对上述工作的总结与展望。综上所述,本论文通过对行波管注波互作用过程的分析以及计算,对行波管的高频结构进行了优化设计,提高了输出功率和效率,为宽频带和大功率的毫米波带状束行波管研发工作铺平了道路。