普通磁控管在向毫米波、短毫米波和太赫兹方向发展时,遇到了严重的问题:首先,因磁控管腔体尺寸与波长成正比,随着频率逐渐提高,腔体尺寸将越来越小;其次,直流磁场与波长成反比,波长越短,磁场越高;再次,阴极尺寸小,所需电流密度增大,导致电子回轰很强烈,这将严重影响热阴极的寿命;最后,随着尺寸的缩小,采用隔膜带解决π模磁控管模式分隔问题也难以实现。因此,在毫米波及以上波段,人们提出了许多方法来实现毫米波M型器件的研制,例如同轴磁控管方案、普通磁控管方案、反同轴磁控管方案和空间谐波磁控管方案。其中空间谐波磁控管（SHM）被认为是最有效的设计之一,与π模基波普通磁控相比,空间谐波磁控管可以增大谐振腔尺寸,降低工作磁场,并有效提高模式分隔度。国内目前尚无W波段磁控管工程化产品报道,对于空间谐波磁控管的研究还处于起步阶段,基于此,本文详细地分析与研究了W波段非π模空间谐波磁控管的作用机理与工作特性,提出了W波段空间谐波磁控管优化设计的基本思路,对空间谐波磁控管的工作效率进行了比较系统的理论分析,一定程度上填补国内空间谐波磁控管的理论空缺。论文主要内容如下:首先,论文系统地分析了无隔模带谐振系统中多模瞬态特性、非π模理论和空间谐波理论,探析了短毫米波磁控管采用非π模空间谐波工作可以增大谐振腔尺寸和降低工作磁场的根本原因。讨论了模式选择对谐振腔尺寸、模式分隔度和品质因数的影响,推导了空间谐波同步的工作特性和负载特性。其次,查阅资料并结合理论分析结构,首次尝试从注波互作用和高频损耗角度对W波段空间谐波磁控管进行效率分析,分析了高频场角速度、同步谐波角向电场以及趋肤效应导致低效率的本质原因,在此理论分析的基础上提出了改善磁控管电子效率和线路效率的实现方法。再次,结合理论分析,对W波段空间谐波磁控管进行了仿真分析,得到冷态特性和热态特性一系列的仿真结果,讨论了仿真结果和理论计算的一致性,对仿真过程中出现的异常现象,进行了理论上的分析,最终通过仿真分析找到了试验研究改进的方向,为试验研究的成功奠定了基础。然后,利用理论计算和仿真分析的结果,进行试验验证,研制出了我国首支W波段空间谐波磁控管,工作模式为π/2模及邻近模式,电子与负一次空间谐波同步,输出功率达到2kW,验证了理论计算的正确性以及仿真分析的准确性。最后,在W波段空间谐波试验研究的基础上,开展了冷阴极技术研究,对磁控管冷阴极技术进行了理论分析,验证了毫米波磁控管采用自发射冷阴极和辅助热阴极式冷阴极的可行性。