中文摘要：

由于采用高次模式工作，模式的稳定性始终是回旋行波放大器研究的关键。本项目基于回旋行波放大器线性和非线性理论，研究高次模式工作倍频回旋行波放大器模式耦合、绝对不稳定性、返波振荡和输出段反射对稳定性的影响及其稳定化。通过对已经研制的倍频回旋行波管样管实验研究，分析不同频率、不同聚焦磁场分布、不同阴极灯丝功率（不同电子注电流）、不同电子注电压、不同驱动功率对放大器输出特性的影响，寻找引起放大器不稳定性原因及其稳定化的规律。总结理论模型分析、结构设计和实验研究结果三者的相互关系，探讨三者结合后对不稳定性及其稳定化的影响，寻找有利于放大器实际工作稳定化的结构、工艺、实验研究和输出电性能实现的结构和电参数，为工程研制提供合理的设计依据。

结论摘要：

回旋行波管（Gyro-TWT）是一种基于电子回旋脉塞（ECM）不稳定性的快波器件，它能够在毫米波和亚毫米波段产生高功率、宽频带的电磁波输出，在先进雷达、深空通信、粒子加速器、国防安保、环境监测等领域具有巨大的实用价值。经过几十年的发展，人们在回旋行波管的理论研究和工程研制方面取得了很大进展，然而稳定性问题依然是制约其性能进一步提升的主要问题之一。本文围绕回旋行波管中的模式竞争问题开展了理论研究和数值模拟工作。 1、从单模稳态理论出发，根据高频场的空间分布假设的不同依次推导出了多模稳态理论和时变理论，极大的拓展了理论的应用范围，同时保持物理图像清晰，在各自适合的领域内能方便地对回旋行波放大器进行模拟研究。 2、利用多模理论研究了TE11模基波回旋行波管中的稳定性问题。计算结果表明在光滑波导中增加输入功率和适当增大导引中心半径都能够在一定程度上抑制 返波振荡；二者结合使用时能够更有效提高工作模式TE11在模式竞争中的优势，提高工作稳定性。 3、将时域理论应用于TE01模基波回旋行波放大器，模拟结果显示，电子注偏心的影响随电子注引导中心半径的不同而不同。偏心对于达到稳定后的增益和所需时间的影响效果基本相反，同时当输入功率增大时偏心的影响变得不再明显。通过引入了一个新的耦合强度，成功地解释了电子注偏心的影响，获得了精确的数学描述和物理结果。 4、将回旋行波放大器小轨道电子注非线性理论推广到大轨道电子注非线性及适用于电子注偏心的情况。以一个30GHz，TE21二次谐波大轨道回旋行波放大器为例，分别研究了大轨道电子注偏心对工作模式和返波振荡模式的影响。 5、以一个34 GHz圆波导TE01模回旋行波放大器为例，通过使用多目标遗传算法对其加载分布式损耗的电阻率和涂覆厚度参数进行优化，得出了两个参数的最佳组合值。接着通过单目标遗传算法对该值的准确性进行了验证，两种算法符合的很好，最终使得回旋行波放大器在有效抑制了回旋返波振荡的同时实现了增益的最大化。 6、对中国科学院电子学研究所多年积累的成果（一整套基于线性理论和稳态非线性理论的回旋行波放大器模拟分析程序），通过打包封装成为一个独立的软件，并配以图形用户界面，使之能够独立运行，使用起来简单方便，风格清晰，运行快捷，同时，所具有的功能又十分丰富，可以为回旋行波放大器的参数设计，分析提供有效的支持。