本论文从理论计算、软件模拟和实验测量三个方面较系统的研究了螺旋线行波管的高频特性和注波互作用，并以理论计算为基础进行多目标的结构参数优化，为螺旋线行波管的工程设计提供可靠的依据。研究内容按内在的先后关系进行组织。首先深入研究了螺旋线慢波系统的基础理论，结合软件模拟和实验测量，为非线性计算提供较准确的冷测参数；通过详细的理论推导给出了螺旋线行波管的非线性场理论，对L、C和Ku波段空间行波管的计算结果表明，理论与实验结果基本一致；最后在行波管的设计工作中引入了多目标的优化方法，并对这些方法进行改进。论文的主要工作如下： 一、通过详细研究有限宽度螺旋带理论中的坐标变换，指明了复合变量K_Hz-θ的特殊含意，证明了将电磁场分量写成变量分离的形式是适当坐标变换的必然结果，而不是人为的假设。使用阻抗矩阵，在坐标变换的基础上将螺旋带处的边界条件用电场分量统一表示。其中的积分与Chebyshev多项式的积分在形式上高度一致，构成了面电流Chebyshev多项式展开的数学基础。 二、带状螺旋线上的面电流分布在实验上无法测量。应用三维电磁场计算软件HFSS进行了模拟，为面电流分布简化假设的使用提供参考。同时也从软件模拟的角度证明，螺旋带上面电流的Chebyshev多项式展开在理论上不仅是合理的，也是必要的，即更接近螺旋带上面电流的实际分布。 三、应用改进了的螺旋带色散和耦合阻抗的计算方法，在成功去除面电流假设的同时对介质进行径向分层。在径向分层时，不需对随层数增加而增加的高阶矩阵进行求逆运算，因此适合于介质的高阶分层处理。基于此理论编写了可径向任意分层的普适性程序，计算与实验的结果有很好的一致。 四、加工和组建了较精密的实验装置，使用Aglient 8510C矢量网络分析仪分别测量了一个无翼片和两个不同翼片加载慢波结构的色散特性和耦合阻抗。将系统等效为二端口网络，对非谐振系统耦合阻抗公式中的Δφ进行了修正，可以有效消除端口反射的影响，抑制了实验结果的波动。在软件模拟中，考虑了高次空间谐波对耦合阻抗计算结果的影响。