速调管是一种基于周期性调制电子注速度实现振荡或放大的微波电子器件。相对于单注速调管,在结构方面多注速调管拥有更多的电子注数目,而在性能方面多注速调管具有更高的输出功率和增益、更高的电子转换效率,同时可以实现低电压情况下更宽频带内的能量转化。多注速调管由于其独特的优越性引起更广泛的关注,目前已成功应用于雷达导航、探测辐照、直线对撞机等领域。本文分别对多注速调管高频互作用系统和输入输出系统进行理论研究和粒子模拟仿真研究,旨在实现一种S波段宽带100k W量级微波能量输出的多注速调管。多注速调管高频互作用系统理论研究主要围绕电子注的速度调制与群聚、空间电荷波理论、一维电子圆盘模型、二维电子圆环模型以及速调管自激振荡机理的分析展开。随后,据空间电荷波理论和速调管大信号理论等计算出S波段的大功率多注速调管的最初结构参数,通过仿真设计优化出相应多注速调管的工作参数。其中结构参数设计主要包括各谐振腔尺寸、漂移管长度、损耗的面积和厚度以及输入输出系统的尺寸等,同时为了多注速调管能够在更宽频带内和更大输出功率下的稳定工作,其输入和输出系统分别采用同轴和波导滤波器加载结构设计。而工作参数设计主要包括在获得稳定单模输出情况下的加速电压,电子束流和工作磁场等。多注速调管输出窗的研究分别从输出窗材料、结构及加工工艺等方面进行研究。本文微波输出窗采用“哑铃”型结构输出窗,其不仅可以达到设计要求,同时可以起到抑制“鬼模”振荡作用,最终在2.75GHz-3.05GHz宽带频率范围内驻波比小于1.12,保证其在额定功率前提下微波能量的稳定传输。最终利用多注速调管初始结构参数和初始工作参数,结合多注速调管机理研究结果,对S波段大功率多注速调管进行整管建模和优化仿真设计,实现S波段宽带百千瓦级微波能量输出。仿真模拟计算结果表明多注速调管在加速电压24k V,总电子束流21.4A,输入信号功率为28.13W时,电子注经过输入腔、4个中间腔和输出腔实现与高频场的高效互作用,多注速调管输出微波信号功率最大可达149k W,其转换效率大于29%,功率增益大于37d B,输出功率大于100k W的带宽超过100MHz,满足速调管设计要求,验证了设计思路的可行性。