毫米波介于微波和红外之间,兼有微波和红外两者的优点。首先同红外和可见光相比,毫米波在烟雾、灰尘等环境中的传输特性更好；其次同微波系统相比,毫米波电子系统容易小型化,适合于导弹,卫星和飞机等平台。对它的研究一直受到极大的关注。但是长期以来由于缺乏有效的高功率毫米波源,对毫米波研究和应用的进展缓慢。20世纪90年代后,在军用毫米波雷达和通信等需求的推动下,高功率毫米波技术特别是高功率毫米波电真空器件取得长足发展。其中最具代表性的器件有两类：一类是极高功率的回旋放大器件,主要包括回旋速调管和回旋行波管。另一类是结构小、重量轻等特点的带状束速调管和行波管。这些器件的发展使得毫米波在雷达、通信、电子对抗、预警和遥感等方面具有广泛的应用,对巩固国防和发展国民经济都具有重大意义。学位论文对Ka波段高功率TE02模式回旋速调管,30 GHz大回旋二次谐波介质加载回旋行波管,W波段脉冲和连续波工作带状束速调管、220 GHz带状束行波管的电子枪和新型周期聚焦磁体都进行了探索性研究及创新性设计。第二章介绍了Ka波段高功率TE02模式回旋速调管的线性理论和自洽与非自洽非线性理论。利用线性小信号理论研究了回旋速调管的线性增益、带宽和线性群聚效率,并指出了多腔回旋速调管高增益和高效率的两种工作状态。优化计算了各个谐振腔群聚参数对互作用效率的影响。详细研究了工作模式为TE02模的谐振腔中,高次模式到低次模式的转换问题。设计了工作模式为TE021模的输入耦合器、群聚腔和输出腔。根据非线性自洽理论分析编制了回旋速调管自洽非线性计算程序,并优化计算了各个腔体的谐振频率、品质因数和各个漂移段的长度等参数。建立了大电流电子枪和高频互作用的粒子模拟模型,通过粒子模拟验证了理论计算结果的准确性。并对高频组件等进行了加工、冷测和整管的初步实验热测,得到了100 kW的输出功率。第三章介绍了30 GHz大回旋二次谐波损耗介质加载回旋行波管的研究与设计。完成了结构紧凑的宽带TE21模式输入耦合器设计。通过等效电路ABCD矩阵和HFSS仿真计算,完成了宽带盒型输入窗和多窗片输出窗的设计。通过线性理论和自洽非线性理论分析与计算,研究了回旋行波管最核心的稳定性问题,计算了工作模式和竞争模式的起振电流。建立了三维Magic粒子模拟模型,并进行了粒子模拟。所得到的计算结果与理论计算进行比,两者具有较好的一致性。通过粒子模拟的方法,指出了线极化的TE21模式与大回旋电子注作用后转换为椭圆极化模。计算了单级降压收集极对注波互作用后电子能量的回收情况,提高了整管效率。为配合降压收集极,设计了工作模式为线极化和椭圆极化的TE21模式的低反射横向输出耦合系统。通过理论分析研究了大回旋电子枪速度离散和引导中心波动的形成原理,并提出了相应的解决方案。通过Egun、CST-PS和Maxwell等二维和三维电子枪与磁体计算软件,设计并优化了低速度离散和引导中心波动的大回旋电子枪和CUSP磁场。第四章介绍了带状束电子光学系统和新型可调PCM-QM周期磁聚焦系统的研究与设计。优化了UC Davis的74 kV高脉冲功率W波段带状束速调管的电子枪和PCM磁体,使实验测得的电子传输效率从约70%增加到了大于99.5%,并得到了54 kW的稳定输出功率。为满足输出功率10 kW,电压54 kV的连续波W波段带状束速调管冷却系统空间的需要,设计了一种新型可调的PCM-QM磁体结构并进行了优化计算。新型结构使上下两片周期聚焦磁体的距离增加了约80%,为冷却系统提供了足够的空间。由于新型结构的可调节性使得实验测试更为灵活,能更好地实现带状电子束的聚焦与稳定传输。设计了220 GHz具有可集成化特性的新型带状束电子枪,及与之配套的新型PCM-QM聚焦磁体,计算得到了大于97%的传输效率。利用实验室带状电子束测试系统,对CPI椭圆带状电子枪进行了实验测试,所得结果与仿真计算结果相比,显示出较好的一致性。