行波管是目前应用最广泛的微波放大器之一，行波管在性能方面显现出的较为明显的优势，将保证其在未来可以应用于许多场合。电子枪是行波管的核心部件，也是行波管“心脏”，行波管电子枪的失效率约占整个行波管失效的50%，是行波管最易出现失效的部位。因此，行波管电子枪的可靠性不仅是决定行波管平均输出功率的主要因素，也直接影响着行波管工作的稳定性和可靠性。而导致行波管电子枪失效的主要因素是温度和振动，由两者导致的故障率占所有故障率的75%。目前，国内外对行波管电子枪可靠性研究大多数是针对电子枪的温度分布、基于温度的关键部件的优化设计和电子枪在常温下的模态分析等，只有少部分的学者涉及行波管电子枪正常工作时（正常工作时电子枪最高温度会达到1000℃左右）的可靠性研究，在这方面的研究还有待进一步的完善。鉴于行波管电子枪尺寸小、结构复杂和制造成本高，本论文基于试验和有限元方法对行波管电子枪进行了热力耦合特性分析。首先，论述了行波管电子枪部分的材料随温度变化的物理特性基本理论，并根据模拟计算的需要，利用数学方法和origin软件对部分试验结果进行曲线拟合，得到了部分材料热物理参数与温度之间的关系式；其次，对行波管电子枪进行温度测试和温度场模拟研究，根据模拟与试验对比分析对有限元模型进行了调整，调整后的有限元模型平均误差为6.96%，模拟结果是可信的，并在调整的有限元模型基础上，研究了行波管电子枪的阴栅间距、阴极尺寸变化对电子枪电参数的影响；接着，首次对行波管电子枪进行了有预应力下的模态分析和随机振动分析，重点考察了一些重要连接部位和容易失效零部件的应力响应值、位移响应值和加速度响应值，找出了工作状态下电子枪在振动状态下的强度和刚度的薄弱点；最后，根据电子枪热力耦合分析结果，从电子枪关键部位的材料选择和结构尺寸改变两个方面对行波管电子枪进行了优化设计。通过对行波管电子枪部分材料的热物理性能进行测试和拟合，得到了部分材料物理性能与温度的关系式，丰富了电子枪电真空材料的材料库，为后续进行电子枪工作状态下的可靠性研究奠定了基础。同时，通过对工作状态下的行波管电子枪进行热力耦合特性分析和基于热力耦合分析结果的优化设计，为国内行波管电子枪工作状态下的可靠性研究起到了推动作用，同时为行波管生产厂家进行制造工艺改进起到了一定的指导作用，分析的结果将具有很好的实际指导作用。