高频率、高功率是当今回旋管发展重要方向。随着回旋管的工作频率进一步提高,为了有效避免腔体尺寸加工难题,这就要求回旋管工作在高次模式。模式数的提高,将会带来更多的模式竞争。模式竞争一直是回旋管研究的热点。本文从耦合波理论出发,明确了模式之间耦合机理。通过改变腔体的连接方式,最终优化设计出一种有效抑制竞争模式的腔体结构。应用该腔体结构,通过不断优化电子注电压,电流,电子横纵速度比,磁场等相关参量,最终得到了一组理想的电参量和设计参量。这种腔体结构能对以后的相关研究提供非常有价值的参考。下面对本文总结如下：1.以回旋管多模自洽非线性理论为基础,推导了电子的运动方程、无源和有源一阶传输线方程。以多模自洽非线性方程为出发点,详细研究了寄生模式产生机理。由一阶传输线方程可知,模式之间的耦合只能减小而不能消失,这是由传输线方程特点决定的。从腔体设计的角度来讲,为了有效抑制竞争模式,可以通过改变腔体结构使耦合系数尽量的减小。本文基于上述原因,对回旋管谐振腔结构的改变做了一些尝试。2.由于现存的三维电磁软件对毫米波亚毫米波谐振腔的仿真计算周期太长,不适合腔体结构的优化。因此本文利用多模自洽非线性理论,利用Matlab语言编制了谐振腔的冷腔和热腔计算模拟程序。利用现有的三维电磁软件计算结果和相关报道的谐振腔具体参数,对上述程序进行相关参数的验证。3.根据前面设计的腔体结构和相关的模拟计算程序。最终设计出了一支工作频率在170.08GHz,工作模式为TE28.8,工作电压为77kV,电流38A,磁场为6.708T,电子横纵速度比为1.6,引导中心半径为8,28mm的回旋管。整个设计过程中,进行了大量的线性分析(色散方程,耦合系数,起振电流)和非线性分析,通过不断优化电子注电压,电流,电子横纵速度比,磁场等相关参量,确定了一组合理的电参量。最终注波互作用达到45.2%,输出功率为1.32MW。