行波管具有高增益、宽频带和低噪声等特点,是目前使用最多的微波真空电子器件。随着电真空器件的频率逐渐向毫米波频段发展,在雷达、通信、电子对抗和成像等应用中对功率和带宽提出了更高的要求,这为真空电子器件的发展带来了新的挑战。对于真空电子器件,更高频率意味着更小的互作用电路尺寸。此时,常规的螺旋线行波管存在功率容量小和散热困难等问题,而传统的耦合腔行波管虽然能够实现大功率输出,但带宽却较窄。折叠波导慢波结构兼具耦合腔结构的功率容量大以及螺旋线结构的宽频带的优势,可以实现高频率、大功率及宽频带下的毫米波放大,因此,逐渐被研究者所重视。依靠传统的实验方法改进行波管的工作性能不但效率低,而且对于成本及时间消耗严重。准确的行波管注波互作用模拟软件对于提高行波管性能具有重要意义。因此,建立行波管注波互作用理论模型,开发相应的注波互作用模拟软件,对于发展行波管,特别是折叠波导行波管,具有重要的意义。本论文主要围绕建立适用于行波管注波互作用的通用理论模型及折叠波导行波管专用频域理论模型而展开,主要工作及创新点如下:1、建立了适用于多种行波管的通用注波互作用模拟方法。首先假设在互作用过程中高频电磁场的分布函数保持不变,从麦克斯韦方程组出发推导了通用高频场方程。利用电磁仿真软件提取数值高频场,使得对一些无法获得解析场表达式的慢波线路进行注波互作用模拟成为可能。采用准粒子模拟方法求解空间电荷场,再结合高频场方程及粒子运动方程,建立了适用于多种行波管的通用注波互作用模拟技术。基于该通用理论模型开发了相应的三维计算代码,并将其应用于三种常见慢波结构行波管的非线性模拟。模拟结果表明该通用模拟方法具有较好的实用性。2、建立了适用于折叠波导慢波结构的三端口网络模型。将周期性线路中的单元结构等效为三端口网络,根据线路特征建立了端口电流和电压的关系。其中涉及的阻抗元素可以借助高频结构的特性参量确定。一旦确定了阻抗元素,单元结构的电压和电流之间的关系即可确定。根据行波管慢波结构的传输特性,建立了相邻单元结构之间的电压和电流的耦合关系,从而构建了相应的级联矩阵。此外,对折叠波导慢波结构的高频特性进行了理论分析,并利用有限元电磁软件进行了验证。3、针对三端口网络模型缺乏对衰减等效的问题,提出了基于三端口网络的新的衰减模型。该模型结构简单,端口特征与三端口网络一致。通过在线路中串联电阻,并根据线路实际损耗,迭代求解电阻值大小。4、基于三端口网络模型,建立了适用于折叠波导行波管的一维和三维注波互作用频域理论。编写了相应的一维和三维注波互作用模拟代码,并对一支实际的折叠波导行波管进行了模拟。将模拟结果与实验结果进行了对比,验证了该非线性理论模型的可行性。5、基于折叠波导注波互作用非线性理论模型,开发了一款折叠波导注波互作用CAD软件BWIS-FW。该软件支持对互作用涉及的大量参数进行优化,并充分考虑了软件的可视化和便捷性。软件包含一维和三维注波互作用程序,并与本实验室开发的高频线路求解器HFCS紧密结合,有助于折叠波导行波管的设计及优化。