行波管具有功率大、带宽宽、效率高和增益大等特点,是应用最广泛的真空电子器件。随着雷达、电子对抗和卫星通讯等应用领域的发展,高精度定位追踪、高分辨率成像、高速通信系统等技术被广泛应用,这对行波管提出了更高的要求。发展小型化高性能行波管对于提升应用装备的灵活机动性,减小体积、重量和功耗有着重要的战略意义。为了实现高性能行波管的小型化,各种适用于小型化的新型慢波结构相继被提出,如平面螺旋线慢波结构、微带慢波结构等。但是现阶段的小型化平面慢波结构存在几个关键问题:（1）耦合阻抗小,互作用效率低;（2）大部分结构都存在大量介质材料,会产生电荷积累,导致慢波结构稳定性和可靠性差,容易造成行波管工作不稳定;（3）慢波结构的周期数过多,导致整管的长度过长,给电子束的聚焦带来困难。本论文根据现有的小型化慢波结构的特点和亟须解决的关键问题,提出了多种小型化慢波结构,采用理论分析、模拟计算和实验测试相结合的方式对小型化径向束行波管进行了深入研究。主要研究工作和创新点如下:1.为了提高微带结构的耦合阻抗,提出了悬置双微带曲折线慢波结构,进行了高频特性和注波互作用特性的理论分析和模拟计算。计算结果表明该结构具有更高的耦合阻抗,工作电压和电流为2050 V和0.2 A时,在36 GHz时最大输出功率为20 W,最大饱和增益26 d B,3-d B带宽为8 GHz,计算的互作用长度小于30mm。采用磁控溅射-激光烧蚀的工艺流程对慢波结构进行了加工制备,验证了该慢波结构的反射损耗与计算结果的一致性,分析了影响该结构传输损耗的因素。2.为了提高慢波结构的耦合阻抗和工作稳定性,提出了共形微带角度对数曲折线慢波结构,通过减少介质基底的覆盖面积有效缩短了管长,缓解了介质基底电荷积累和带状电子束难聚焦的问题。对高频特性和注波互作用特性进行了理论分析和模拟计算。结果表明,慢波结构只用26个周期8 mm的互作用长度便可以输出最高220 W的功率,电子效率可以达到20%,3-d B带宽可达13 GHz。最后探索了离子束刻蚀在共形微带慢波结构加工上的应用。3.为了进一步提高行波管的稳定性,研究了介质支撑角度对数带状线慢波结构,便于加工装配。注波互作用特性计算的结果表明,在互作用长度小于10 mm的情况下慢波结构的输出功率最高可达320 W,电子效率为9.12%,3-d B带宽可以达到5 GHz。在此基础上完成了角度对数带状线行波管的整管装配和原理性实验验证工作,证明了小型化径向束行波管的可行性和潜在价值。4.为了提高角度对数带状线慢波结构的增益,提出了角向级联角度对数慢波结构。对高频特性和注波互作用特性进行了理论分析和模拟计算。结果表明,该慢波结构最大增益达到了32.5 d B,每单位长度的增益约为2 d B/mm。为了满足角向级联结构的需求,研究了径向双束电子光学系统,并与慢波结构进行联合仿真计算。双电子束静态流通率可以达到100%,动态流通率可以达到93%,慢波结构的输出功率降低30 W,相应增益减小1 d B。5.为了缩短螺旋线行波管的长度,将对数渐变结构应用到螺旋线慢波结构中,研究了径向对数双渐变螺旋线行波管。提出了对数双渐变螺旋线慢波结构的色散特性分析方法,分析了螺距与内径的同时渐变对色散特性的影响。注波互作用特性的模拟计算结果表明,该行波管相比常规螺旋线行波管功率提升20%,电子效率提升50%。进行了径向对数双渐变螺旋线行波管的实验验证工作,实验结果与仿真结果基本吻合,验证了对数渐变螺旋线的功率提升能力。