回旋行波管(Gyrotron Traveling-Wave Tube:Gyro-TWT)放大器能够在毫米波段产生百千瓦量级的高功率宽频带相干电磁辐射,是下一代高分辨率成像雷达首选的发射机功率源,在国防安全、外层空间小目标跟踪、精确气象监测等领域具有重要的应用价值。Gyro-TWT基于相对论效应下电子回旋脉塞(ECM)的对流不稳定性(Convective Instability)原理工作,同时受到潜在的绝对不稳定性(Absolute Instabilit)的竞争,导致系统中存在复杂的自激振荡,器件难以高效工作,阻碍了器件的实用化进程。如何抑制自激振荡,保证系统基于对流不稳定性正常工作是Gyro-TWT的稳定性问题的核心,也是限制该类器件发展的根本问题之一。因此,深入研究Gyro-TWT的注波互作用机制和系统稳定性问题具有重要的学术价值和工程意义。只有解决了Gyro-TWT的稳定性问题,才能进一步提高器件的性能,推动其在毫米波雷达中的应用。　　 本论文深入研究Gyro-TWT系统中的注波互作用机制,以及对流不稳定性和绝对不稳定性间竞争关系,以期从根本上解决Gyro-TWT的稳定性问题,推动器件往更高的频率发展,取得更优越的性能。本论文的主要研究内容和取得的创新性成果概括为如下六部分:　　 第一部分,从微波电子学出发,阐述ECM的原理和回旋器件的重要性和发展概况,对Gyro-TWT曲折的发展经历进行了详细的回顾,并就器件的稳定性控制机制、过模互作用电路、谐波互作用和带宽扩展等关键技术进行了评述。最终归纳出稳定性问题是限制Gyro-TWT发展的根本问题,因而探索和研究器件的工作机理和稳定性控制机制是本论文的主题。　　 第二部分,从导行波系统和ECM互作用系统两方面构建论文的理论基础。首先回顾了均匀介质加载波导和周期介质加载波导的基本理论,基于互作用系统区域划分的思想提出了适用于大多数复杂波导的ECM互作用的普适理论模型；并进一步发展出损耗介质加载的Gyro-TWT的互作用理论,包括线性理论和自洽非线性理论。这为对比研究对流不稳定性和绝对不稳定性的竞争关系提供了理论基础。　　 第三部分,深入研究损耗介质加载波导的传输特性,发现了损耗介质波导的一个重要基本性质,即介质损耗引起的模式转移现象。这不仅丰富了人们对波导系统的认识,还将推动损耗介质波导在回旋器件中的应用,具有重要的理论和应用价值。　　 第四部分,以超高增益Gyro-TWT和损耗介质加载Gyro-TWT为例,深入研究基于分布损耗机制的互作用系统中绝对不稳定性的内反馈机制,以及对流不稳定性和绝对不稳定性之间的竞争关系。首次将互作用系统中的前向波区域与返向波区域内的绝对不稳定性以及相互之间的过渡关系纳入统一的框架,能够直观地揭示互作用系统中绝对不稳定性振荡的内反馈机制。此外,还发现轴向多段互作用系统中自激振荡具有多稳态分布的特点。最后提出了面向稳定性和分段稳定性的设计思想,指出可以通过调整工作模式传输特性和互作用系统的注.波同步条件两方面控制系统稳定性。　　 第五部分,通过系统地研究分布损耗机制对Gyro-TWT中注-波互作用和稳定性的影响,提出了具有高稳定性的预群聚激发、多模组合、ECM级联等一系列新颖的ECM放大器方案,并对这些方案进行了系统的理论论证。这些方案中的某些概念在以往的实验中已被部分证实。这些新颖的设计思想结合了当前最新的研究成果,巧妙地融合了回旋行波管和回旋速调管的某些优点,为回旋管放大器未来的发展提供了新的思路。　　 第六部分,对Gyro-TWT工程研制过程中涉及到的某些关键技术进行了详细的探讨,包括输入耦合器设计、宽带输出窗设计、电子枪设计和损耗介质材料测量等技术。某些关键部件的仿真设计和实验测试结果一致,取得了比较优秀的性能,对回旋管的工程研制具有重要的支撑作用。