行波管(TWT)具有宽频带、高增益等优势，是雷达、通信、电子对抗系统中的核心器件。各类应用对行波管功率、增益、可靠性等指标提出更高的要求，且要求行波管向小型化方向发展。行波管的分析、设计和研制是复杂过程，计算机模拟仿真与实验测试相结合，已成为行波管设计的主要方法。本文围绕应用需求，重点研究小型化TWT数值仿真、关键部件与整管性能关系等，探究小型化TWT实现的途径。　　第二章基于CST软件套装完成对某实用TWT电子枪、周期永磁聚焦系统、高频结构、注-波互作用和收集极完整的仿真分析，并将计算结果与实验数据进行对比。结果表明，CST软件可对TWT进行完整的数值分析，周期永磁聚焦系统、高频结构冷特性以及注-波互作的结果具有较高的精度。　　第三章针对小型化行波管需重点关注的返波振荡问题展开研究。基于CST粒子工作室研究了衰减器位置、螺旋线切断长度和和切断位置以及螺距变化对返波振荡的影响。计算结果表明，衰减器位置小范围移动、螺旋线切断长度和位置改变对抑制返波振荡的影响较小。三段螺距跳变结构能够有效抑制高次谐波，提高输出功率。　　第四章研究了三螺旋线组合慢波结构。基于CST微波工作室分析了该结构的模场分布，发现三组螺旋线附近电、磁场分布大致相同，各螺旋线在慢波结构中地位相同。同时，还分析了夹持杆结构、尺寸、材料变化对于色散特性和耦合阻抗的影响。针对三束电子注同时聚焦的需求，提出了一种聚焦磁场结构，仿真结果证明，该结构能够满足设计要求。　　第五章提出一种光纤光栅(FBG)夹持型慢波结构，可实现螺旋线接触式温度测量，为TWT热分析提供可行的测试手段。基于CST微波工作室分析该慢波结构高频特性，结果表明，夹持杆旁直接放置FBG，引起慢波结构相速和耦合阻抗降低，而将FBG嵌入夹持杆内部，则相速和耦合阻抗增大。由CST粒子工作室分析该结构注-波互作用的研究结果表明，添加FBG，不会对信号的频谱产生影响，并且能够使行波管的增益略为上升。FBG可用于螺旋线行波管的夹持杆中，为TWT工作态时的热分析提供测试工具。