微波电真空器件是军事、科技、医疗、通信及太空探索领域中的核心器件,以其高功率、高增益、高频率等特点而得到广泛应用。微波窗、阻抗变换器、微波谐振腔作为微波电真空器件的关键部件,其性能直接影响到器件的带宽、功率容量、互作用效率、可靠性等性能指标。这些部件的准确模拟和快速设计对缩短制管周期、提高整管性能、延长使用寿命至关重要。围绕微波窗、阻抗变换器和微波谐振腔等电真空器件关键部件的快速优化设计,论文深入研究了模式匹配法(Mode Matching Technique),进一步发挥模式匹配法的优势,结合非支配排序遗传算法(NSGA-II),建立了基于NSGA-II的微波窗S参数快速优化模型并编写了微波窗快速优化软件包MWDK;利用MWDK,快速优化了一个1-35GHz宽频带同轴窗与W波段折叠波导行波管矩形波导窗;同时,将模式匹配法应用于微波谐振腔的谐振频率与本征场分布的计算与分析,实现了微波谐振腔高频特性的快速计算。最后,针对速调管、扩展互作用速调管等外腔式电真空器件采用的复杂高频结构,将模式匹配法进行扩展,建立了外腔式谐振腔冷腔场计算的理论模型,为后续建立速调管、扩展互作用速调管等外腔式电真空器件的非线性注波互作用理论奠定了基础。本论文的主要工作和创新点如下:1深入研究了模式匹配法。推导了模式匹配法场匹配公式,分析了常见波导突变之间的耦合矩阵解析表达式,将其用于微波窗的S参数计算及微波谐振腔本征问题分析。开发了基于模式匹配法的谐振腔求解代码,求解了谐振频率及对应谐振模式的电磁场分布,并将计算性能和仿真结果与HFSS、CST进行对比。在精度相同的情况下,模式匹配法具有更快的求解速度。2深入研究了非支配排序遗传算法(NSGA-II),并结合模式匹配法,建立了基于NSGA-II的微波窗S参数优化模型。模型中设计了保证低反射、宽频带的目标函数。通过分析整个优化算法时间复杂度瓶颈,进一步在NSGA-II中增加了学习算子,改进后算法的收敛速度平均提升25%。3建立了外腔式器件冷腔场计算的模式展开理论模型。通过模式展开,得到了速调管谐振腔与电子注通道内电磁场满足的广义电报方程。结合场匹配思想,处理间隙处与耦合孔处不同形式场的耦合,建立了完整的外腔式谐振腔冷腔场计算的模式展开理论。模拟速调管输入腔冷腔场并与HFSS、CST进行对比,验证了算法的精确性及高效性。