速调管是一种基于速度和密度调制原理将电子注动能转换成电磁波能量的微波真空电子器件，在雷达、加速器、广播电视和通信等领域都具有重要应用。在大功率速调管的设计中，带宽和效率是两个重要技术指标。理论分析表明，速调管效率-带宽的乘积近似为一个常数，提高带宽就会相应的降低效率，所以带宽和效率的需求本身是矛盾的。然而，在大功率速调管的一些实际应用中，比如机载或车载雷达、星载通信等，既有带宽指标要求，又对效率提出相应的要求。因此，在大功率速调管的设计中，就需要针对带宽和效率指标进行综合分析，设计出满足实际需求的宽带、高效率的大功率速调管。　　本学位论文从实际应用出发，研究宽带、高效率的大功率速调管的设计与工程实现，主要研究工作包括:　　1、对C波段2.5MW峰值功率、5.1％相对带宽、40％效率的速调管提出了单实心注的设计方案，进行了整管模拟与设计，结果满足设计要求。利用速调管大信号理论，分析了大功率速调管带宽和效率的关系，研究了影响速调管带宽和效率的因素和各项参量，并进行了基于宽带高效率设计的参数计算。分别采用EGUN程序、KLY程序和Arsenal-MSU软件对电子光学系统和电子注-波互作用系统进行了模拟分析，通过Arsenal-MSU软件和MAGIC软件的互相验证，对速调管的功率凹点进行了排除，优化了设计方案。　　2、给出了宽带速调管整管的全三维粒子模拟方案，提出了具有加载谐振腔高频段和宽带输出回路结构的宽带速调管的模拟方法。对模拟方法与结果的分析，证明了该方案的可靠性和可行性。宽带速调管整管的三维粒子模拟，可较精确地分析速调管中电子注的产生和形成以及注-波互作用等过程背后的物理机制，清晰地了解速调管中的物理过程，揭示二次电子、振荡、杂谱和热力学特性等复杂情况的产生原因及其对速调管的影响，有助于解决速调管的工作稳定性和可靠性;掌握和验证设计结构和尺寸，缩短了研制周期，并能有针对性地优化设计方案，提高器件性能。　　3、在理论分析和数值模拟的基础上，开展了样管的研制工作。对速调管的各个部件进行结构设计和冷测，成功研制出了高频样管，并开展了热测实验。测试结果表明，在饱和激励和5.1％相对带宽下，测得峰值功率大于2.5MW，效率大于40％，增益大于49dB，平均功率大于2.5kW，功率平坦度为0.63dB，该性能满足设计要求，达到了国内先进水平。　　4、提出了在该速调管设计中采用空心电子注的新方案。通过理论分析，得到了空心电子注的电子运动规律。采用杆控电子枪结构实现空心电子注，并进行了电子光学模拟和电子注-波互作用模拟，结果能够满足设计要求。