螺旋线行波管具有宽频带、高增益和高功率等优点,是重要的微波功率放大器,大量应用于卫星通信系统、电子对抗系统和雷达系统。随着航天工程和新一代武器装备的发展,迫切需要更优越性能的螺旋线行波管。如何提高整管效率和输出功率是行波管研究中的一个永恒的主题。　　 效率是衡量行波管性能的最重要指标之一,提高行波管的效率,可以大幅度提高行波管的输出功率、减少电源体积和重量、降低设备对散热系统的要求、改进器件的可靠性并延长其寿命。本论文深入研究了提高螺旋线行波管效率的关键技术,主要包括高效率慢波结构和高效率静电磁聚焦式多级降压收集极的研究,并针对空间行波管和宽带行波管,提出了一些提高效率的方法。　　 本论文主要内容及创新如下:　　 一、提出了用最大可回收效率来衡量互作用后电子注可回收能力的目标函数。通过优化双渐变慢波结构的螺距分布,使进入收集极的电子注具有较高的可回收能力,同时在遗传算法中设置电子效率大于25％作为限制条件,结合相应参数不断的调整过程,达到合理优化,保证优化后的行波管电子效率始终在25％以上。若采用三级降压收集极,则互作用后电子能量分布在两个能量群上,电子注具有明显台阶形分布函数。　　 二、以电子效率、最大回收效率以及最大总效率为目标,对双渐变慢波结构进行优化均可提高行波管的效率,比较这三种优化方法为行波管的工程优化设计提供可靠的依据。以最大回收效率为目标优化的行波管,互作用后的电子注能量呈明显的台阶状分布,为下一步研制高回收效率的降压收集极奠定基础。和单纯的以电子效率为目标的慢波结构优化相比,以最大回收效率为目标对慢波结构进行优化,行波管的最大总效率在低频端较高,且在整个工作频带内较平坦。但基于最大总效率的慢波结构的优化,行波管的总效率最大,行波管的理论最大总效率达到77％,且电子效率和可回收效率是其它两种优化方法的折中。　　 三、应用Pierce小信号理论,对设计高效率宽带行波管的一般方法进行分析,采用螺距跳变渐变技术,形成了相速减少和相速增加两段结合的输出段作为宽带行波管的慢波结构。并采用散热性能好的半金属化央持杆慢波结构产生反常色散曲线。为了提高行波管工作频带的电子效率,在高频点(18GHz),在遗传算法中调用一维BWIS互作用软件,对相速减少和相速增加两段相结合输出段的慢波结构进行了优化。行波管在工作频带(6—18GHz)获得了比较平坦的饱和输出功率,为下一步实际研制宽带行波管提供了理论依据。　　 四、精确计算过渡区的磁场分布是计算进入收集极电子注轨迹的重要前提,利用有限个等效电流环模拟过渡区轴对称磁场分布并利用解析公式计算空间磁场分量,可以提高计算精度。讨论了一个有效的迭代方法来计算等效电流环的位置、电流强度和半径,在程序中通过设置局部迭代和全局迭代方法来改善计算精度,局部调整各个电流环的半径和电流强度,如果达不到设定的精度,则再增加电流环的个数。　　 五、针对一支通信用高电子效率的行波管,对多级降压收集极的电极形状和电极电压、第四级电极斜度和过渡区磁场分布等参数进行了优化,可使不同速度的电子降落到不同电位的收集极上,实现了行波管总效率大幅提升。