毫米波技术在通讯、成像系统、射频天文以及临床医学等领域占据有利地位,毫米波技术的发展对行波管提出大功率、高增益、小型化的要求。慢波结构作为重要的注-波互作用场所,其性能指标对行波管特性起决定性作用。耦合腔和螺旋线是获得广泛应用的两类慢波结构,耦合腔作为热耗散性能较强的全金属结构,常用于大功率行波管。但是,其工作带宽比较有限。螺旋线结构色散较为平坦,带宽可以达到两个倍频程以上。然而,随着功率的提升,需要提高阴极的电流密度来满足功率需求。圆形电子注被用做辐射源时,由于其空间电荷效应较大,螺旋线行波管的功率提升会受到限制,并且不利于器件的小型化。同时,当频率上升到V波段以上时,慢波结构都会面临加工和组装困难的问题。因此,设计基于微机电系统且可与带状电子注互作用的新型慢波结构成为研制大功率、小型化行波管的重要途径。本文基于此对螺旋线慢波结构进行设计和研究,并开展了毫米波螺旋线行波管的性能分析,主要工作及创新点总结如下:1.提出了宽杆半矩形环螺旋线慢波结构,避免了矩形螺旋线类慢波结构倾角难加工的问题。同时,新结构作为一种二维平面结构,具有低相速、高耦合阻抗、更加兼容微细加工技术（MEMS）的特点。适用于毫米波行波管,易于器件的小型化发展。2.分析了尺寸参数对宽杆半矩形环结构高频特性的作用规律,通过优化分析,获得最佳结构单元,并开展了与等价矩形螺旋线、PH-SEC结构高频特性的比较。结果显示,宽杆半矩形环结构具有更低的归一化相速值,耦合阻抗在整个工作频段内有显著提高。同时,采用二次渐变的方式设计了一种同轴线耦合装置,通过电磁仿真软件CST进行模拟验证。结果表明,二次渐变输能装置能够提供良好的传输性能。3.设计了W波段带状注宽杆半矩形环螺旋线行波管,通过引入集中衰减器消除行波管中的自激振荡。基于PIC仿真软件对行波管的非线性互作用过程进行仿真分析,粒子仿真结果显示:在3-d B带宽范围内,宽杆半矩形环螺旋线行波管的最大输出功率为40.77W,增益为26.1d B。与等价的矩形螺旋线相比,在65～104GHz的范围内,宽杆半矩形环螺旋线行波管的功率均占据优势,最大输出功率提高了43.4%。4.提出了脊加载半矩形环螺旋线慢波结构,弥补了传统半矩形环结构耦合阻抗较低的缺点。高频特性仿真结果显示,与传统半矩形环结构相比,脊加载半矩形环结构在色散相接近的前提下,耦合阻抗值获得明显改善,中心频点处耦合阻抗值提高了43%。同时,开展了V波段脊加载半矩形环螺旋线行波管的研究。注-波互作用模拟结果显示:在52～64GHz的范围内,脊加载半矩形环螺旋线行波管获得高于100W的输出功率。在典型频率60 GHz处的峰值功率为155W,对应的增益和电子效率分别为31.9d B和24%。与传统的半矩形环螺旋线行波管相比,最大输出功率提高了近一倍。