随着大容量高速通信、低轨卫星互联网、新体制雷达及电子对抗等新兴领域对大功率和高频率电磁波源的需求不断增长,真空电子器件迎来新的机遇与挑战。作为真空电子器件的典型代表,行波管由于具备输出功率大、工作波段高、整管效率高等优势,在这些领域发挥着重要作用。近些年,随着新型加工制备工艺的涌现和成熟,小型化行波管的研究得到了快速发展,方向主要集中于提供高频率大功率电磁波源的同时,还要力求结构尺寸小、工作电压低,提高单位体积功率密度。围绕着行波管平面化、小型化和低电压的发展要求,本学位论文从慢波结构创新设计和制造工艺出发,对小型化行波管开展了深入研究,具体工作概括如下:1.提出了一种介质杆夹持带状线平面慢波结构。通过对慢波结构中介质分布的研究,有效解决了传统微带线平面慢波结构面临的介质电荷积累大、耦合阻抗低、金属层薄等问题。设计了一种Ka波段介质杆夹持带状线平面行波管,模拟结果显示,当工作电压为10.6 k V时,输出功率为330 W,增益和电子效率分别为23.4 d B和15.5%,慢波结构仅长20 mm。同时,经工艺探索研制出慢波结构样件,测试并初步验证了其传输特性。2.为进一步简化带状线结构和装配工艺,提出了一种Ka波段衰减器支撑带状线平面慢波结构。探索并设计了激光切割和磁控溅射加工工艺,研制出慢波结构样件。并定量测试了带状线表面粗糙度和慢波结构的传输特性,粗糙度为246 nm,S21在38 GHz为-11.2 d B,从而对比研究了慢波结构损耗的问题。同时设计了一种利用MEMS技术制造该慢波结构的工艺流程,提供了新的工艺制备思路。此外,经过重新设计优化,进一步降低工作电压至4.4 k V,慢波结构缩短至16.8 mm。3.发明了一种工作在E波段的交错双线平面慢波结构。通过对双带状线排列方式和色散特性的研究,选择了一种最佳双线交错方式。并基于此设计了一种可工作在高次模的小型化行波管。研究表明,由于电子注通道内部聚集了更多的轴向电场分量,耦合阻抗得到了显著提升。粒子模拟结果显示,当工作电压为11.8 k V时,输出功率可达283 W,增益和电子效率分别为34.5 d B和11.9%。此外,为研究该结构功率承载的热性能及温度分布,通过热-力耦合多物理场仿真,确定了连续波工作时慢波结构温度分布最高点约为274℃。4.为探索更高波段带状线平面慢波结构的工作特性,设计了一种W波段带状线平面慢波结构。模拟结果显示,当电压为11.3 k V时,在96 GHz处可产生66 W的输出功率,慢波长度仅为19.6 mm。同时还设计了W波段带状注电子光学系统,可产生宽高比约4.4:1的带状注,在设计的PCM磁聚焦系统约束下电子注流通率大于97%。最后加工、装配并测试了W波段带状线平面慢波结构,在90-100 GHz的工作频段内,实测S21为-15至-20 d B。5.为解决传统折叠波导慢波结构结构尺寸大、工作电压高等问题,运用角度对数变周期形式,发明了一种小尺寸低电压角度对数折叠槽波导慢波结构行波管。模拟研究显示,在Ka波段其工作电压低至4.85 k V,输出功率达128 W,慢波结构长40 mm。同时,设计了角向发散大宽高比带状注电子枪和PCM磁聚焦电子光学系统,带状注（注腰处宽高比32:1）流通率达96%以上。同时通过线切割-镀银焊和高速铣-钎焊两种工艺路径,分别加工并测试了慢波结构样件,在30-38 GHz范围内S21为-2.7 d B到-4.8 d B,验证了该新型慢波结构的传输特性。