短毫米波在高速数据传输、新型电子材料光谱、空间研究、医学、生物学、监控和遥感等领域有着巨大的应用潜力。近年来,毫米波频段的高功率微波源在上述领域中的应用极具吸引力。行波管具有高输出功率、高电子效率和高工作增益的特性,是短毫米波频段运用得最为广泛的真空电子器件之一。作为全金属结构,曲折波导具有坚固的结构和良好的热稳定性,这使得曲折波导在短毫米波频段具有制造成本低、机械强度高、功率容量高和频带宽的特点。此外,曲折波导的输入输出电路结构简单,采用微细加工技术制造的曲折波导行波管非常适合运用于短毫米波频段,因此本文主要研究短毫米波段的曲折波导行波管。本论文的主要工作包括以下四点:1、设计了具有大孔径电子注通道的140GHz曲折波导行波管,通过计算机软件对慢波结构的高频特性进行了分析,设计了行波管的传输系统,包括盒型窗、双曲圆弧渐变波导、截断衰减器,还设计了行波管的周期永磁聚焦系统。利用非线性软件计算了行波管的注-波互作用,最终设计的行波管在中心频率处具有85W的功率输出和42dB的增益。2、对设计的140GHz曲折波导行波管进行了实验测试,盒型窗结构在中心频率140GHz处的驻波系数小于1.1,整管在中心频率140GHz处,驻波系数为1.8。最终测得行波管在137GHz-144GHz频率范围内增益均在20dB之上,在中心频点140GHz处,饱和输出增益达到25dB。3、设计了220GHz曲折波导行波管,利用计算机软件设计了行波管的高频结构、盒型窗、双曲圆弧渐变波导、截断衰减器、电子枪和周期永磁聚焦系统。通过非线性软件计算行波管的输出功率在220GHz处达到61.74W,增益达到26.9dB。4、为降低行波管的工作电压,调研了非周期的角度对数曲折波导结构,通过新的方法计算其高频特性,为低电压行波管的研究提供了思路。