由于行波管本身宽带、高功率、高效率等优良的工作特性能适合于电子对抗以及卫星通信等特定的领域的需要,行波管在这些领域具有相当大的竞争力和广泛的应用。依托于高效率毫米波螺旋线行波管的研究项目,本文设计了一只螺旋线行波管,其工作频带为26.5 GHz-40 GHz。为了保证工作带宽的设计指标,同时尽可能提高电子效率,本论文提出、研究并设计了矩形金属-介质夹持杆螺旋线作为慢波结构。并以此慢波结构为基础,完成了同轴型输入结构及输入窗、脊波导型输出结构及输出窗的设计。对整管进行了注-波互作用模拟计算,并对提高行波管效率的方法进行了探索,经过优化,完成了高效率螺旋线行波管的设计。为了实现高效率螺旋线行波管的设计,本论文所采用的研究方法和主要内容如下:1.提出了矩形金属-介质夹持杆螺旋线慢波结构,并用HFSS软件对比了几种不同加载方式的螺旋线慢波结构的高频特性,验证了所提出的慢波结构适合工作于宽频带并且可实现制管。通过对该结构高频特性的仿真,对比了不同参数的变化对结果的影响,选取了适合的慢波结构参数。2.利用CST软件,设计了同轴输入结构和双脊波导输出结构,通过对其进行设计优化,在26.5 GHz-40 GHz工作频带内整管反射系数在-16dB及以下,驻波比在1.4以下,符合设计要求。3.利用ORION软件,对所设计的矩形金属-介质夹持杆的螺旋线行波管的注-波互作用进行了仿真,确定了其工作参数。为了提高电子效率,本论文尝试了几种不同的螺距变化方式:螺距负-正-负跳变、螺距负-正-负-负跳变和螺距渐变。最终理想的仿真结果如下:在所需26.5 GHz-40 GHz的工作频带内,工作电压为9350V,工作电流为140 mA时,采用螺距负-正-负-负跳变方案的电子效率大于17.8%,相比均匀螺距时电子效率增加了3.6%以上,采用螺距渐变方案的电子效率大于19.5%,相比均匀螺距时电子效率增加5.3%以上。4.利用CST软件,设计了一种轴对称五级降压收集级,最终优化后的收集极效率可以达到89.43%,符合设计指标要求。