行波管具有工作频带宽、输出功率大、效率高、动态范围大、环境适应性强等一系列显著优点,是目前使用最多的微波电真空器件。而行波管注波互作用过程是行波管工作性能的一个关键部分和核心基础,深入研究行波管注波互作用过程的基础理论和CAD技术,对快速实现行波管结构优化设计,提高输出功率,拓展工作带宽,改善稳定性等一系列性能具有重要的意义。本论文围绕行波管注波互作用过程的基础理论和CAD技术展开研究工作,工作主要内容及创新包括以下几个方面:1、针对周期慢波结构得到基本的场分布形式。同时以螺旋线慢波结构为例,在数值上验证了实际的螺旋线内的场在径向严格随贝塞尔函数变化而变化,因此利用三维数值软件计算出色散和耦合阻抗,可以准确再现实际结构中螺旋线内的冷腔场。同时还推导了行波管中电子注对的各次空间谐波的场激励方程,这是注波互作用的理论基础和核心内容。各次空间谐波的场激励表现为高频电流与场分布的共轭在周期时间和周期结构的平均。最后进一步推导了任意周期慢波结构中,前向波的场激励方程和反射波的场激励方程,为建立普适的周期慢波结构注波互作用理论奠定基础。2、发展了多种模型的基于场论的注波互作用理论,包括计算前向波放大的一维、三维注波互作用多信号非线性理论,计算返波振荡的非线性理论和反射振荡的非线性理论。几种理论都包括场的激励方程,运动方程和空间电荷场计算三个部分并进行了数值验证。三维前向波注波互作用理论重点推导了有限大小粒子的空间电荷场模型,验证的数值结果与实验测试比较接近。同时也建立了返波振荡非线性理论,可以考虑周期磁场对返波振荡的影响,给出非线性状态下计算返波振荡的方式。最后推导了切断及输入输出边界匹配的模型,建立了反射振荡非线性理论,可以用来准确分析行波管内各类因素对反射振荡的影响。3、提出粒子相位谐波的思想,将任意时刻的粒子相位分布用初始相位(均匀分布)展开,从而建立起欧拉体系的注波互作用理论。若粒子相位分布只取直流分量和一次谐波分量,退化出基于场论的线性欧拉注波互作用理论。其中相位的直流分量表征了电子失去的能量的累积,而一次谐波分量可以建立起小信号理论的特征方程。利用该线性理论对设计行波管的关键指标参数:场相对相位角(场幅角与场增加量幅角之差)进行理论分析,证明其在增幅波建立起来后的线性互作用区基本是不变的。该理论为优化设计行波管提供了理论基础。4、从电流源出发,通过对电流源展开,得到谐波展开法求空间电荷场的理论基础,推导了一维、二维空间电荷波理论,由于这种谐波展开法计算复杂度是O(N),在计算速度上有一定的优势。5、研究了行波管中均匀聚焦磁场和周期永磁(PPM)聚焦磁场对电子轨迹波动的影响。得到两种磁场作用下轨迹波动的幅值与轨迹波动周期的定量关系。用注波互作用模块进行了静态轨迹计算,验证了理论上的推导。6、介绍了以作者为主要开发者开发的注波互作用CAD软件:注波互作用模拟器(BWIS),将第三章的非线性理论诉诸实现,软件具有准确快速、易用性、可视化和操作便捷等特点,可以实现快速和准确的获得行波管设计方案。7、给出了行波管的优化设计策略,包括空间行波管和宽带大功率行波管设计过程与步骤以及优化算法进行优化。对于高效率的空间行波管提出了一种有效的设计方法,能够快速有效的确定正跳变负渐变螺距的分布,并给出了基于这种设计方法的理论基础。对于宽带大功率行波管,对二次谐波抑制与返波振荡抑制进行了深入的讨论。然后给出了结合返波振荡抑制的宽带大功率设计方案。最后给出了结合单纯形局部优化算法的混合遗传优化算法优化高效行波管的计算实例。