螺旋线行波管具有宽频带、高增益和高功率等优点,是重要的微波功率放大器,大量应用于卫星通信系统、电子对抗系统和雷达系统。随着现代科技的飞速发展,迫切需要更优越性能的螺旋线行波管,要求更高的输出功率和更高的效率,向更高的频段发展。螺旋线行波管是通过运动的电子与慢波结构上传播的高频场之间的能量交换实现信号的放大,其放大机理本质上是一种非线性的物理过程,研究螺旋线行波管中的电子注与波非线性互作用,对提高行波管性能具有重要的意义,本论文主要内容如下:　　 (1)基于粒子模拟技术研究了螺旋线行波管的时域非线性理论。在考虑夹持杆和屏蔽筒影响的条件下,通过对螺旋线慢波结构中传播的场的分析,得到了慢波结构中电磁场的表示形式；通过对电子注的分析,得到了用泊松方程求解空间电荷场的物理模型；通过对慢波结构中能量传播的分析,导出了注波互作用方程,并分析了注波互作用方程求解的MacComlack方法,编写了相应的程序进行计算分析,能够分析不同的聚焦磁场(均匀磁场或者周期永磁场)的影响；时域的非线性理论能够分析行波管的时变特性,分析调制波形在行波管中的传播,时域模型能够提供频域模型所不能提供的信息。　　 (2)通过对慢波结构中传播的电磁场的分析,得到了螺旋线行波管频域注波互作用二维和三维的物理模型,通过类似Poynting定理的推导得到了线路方程,采用粒子模拟的方法分析行波管互作用。对空间电荷场,通过对电子注电流的傅立叶变换以及利用电子注的角向对称性的假定,将空间电荷场波动方程的维数降低到一维,得到了三维模型的空间电荷场描述,进一步通过角向对称性的应用得到了二维模型的空间电荷场描述,对空间电荷场的简化大大减少了计算量。　　 (3)螺旋线行波管中返波振荡是影响行波管设计的重要问题,当行波管中高频信号滞后于高压信号或者高频信号脉宽小于高压信号脉宽时,即在高电压信号的上升沿和下降沿,这时没有高频信号但返波振荡也有可能被激起,这在以往是被忽略的,从瓦因斯坦的波导激励理论出发,导出了在布里渊流这种特殊条件下的非线性返波振荡工作方程；分析了周期永磁场的磁场周期和磁场强度抑制返波振荡的效果,同时考虑了损耗因子、空间电荷场、不同磁场位形对抑制返波振荡效果的影响,从理论上说明了该方法的有效性,为行波管的设计和优化提供了依据。　　 (4)讨论了ε占优的多目标优化算法,研究了行波管的频域物理模型和多目标优化算法的结合,详细分析了优化设计的流程,应用该算法对一支行波管进行了优化设计,对优化结果进行了详细分析,采用三维程序对优化结果进行了验证,详细分析了两者之间的差别,为行波管的进一步优化设计打下了基础。