速调管在对峰值功率、平均功率等要求较高的应用场合一直占据不可替代的位置,有着广泛的应用前景。作为速调管设计与研制的重要一环,计算机辅助模拟能有效地缩短研制周期和开发成本。论文对工作在010TM模式的S波段双间隙输出腔速调管展开了理论分析和计算机三维模拟,分析了大功率速调管的小信号理论和大信号理论,其中,小信号理论包括基于Maxwell方程和Lorentz方程的空间电荷波理论、群聚过程中的等离子体频率缩减因子的计算;大信号理论考虑了空间电荷力对群聚过程的影响,包括一维电子圆盘和二维电子圆环模型,对其进行了非线性分析。电子光学系统的设计是速调管研制中最基础且重要的环节,首先分析了电子枪的阴极发射密度、面压缩比以及电子注导流系数、归一化半径、电流密度等的计算方法,然后对电子枪进行数值模拟,在65k V的直流电压下获得了电流约为37.5A,导流系数为2.3μP的电子注,且层流性良好,电子枪耐压在允许的范围内。对聚焦磁场进行了理论分析和计算,根据布里渊磁场初步确定磁场强度,带入整个电子光学系统进行计算,但通过率并不高。通过反复试验,再外加一径向磁场,在保持层流性的同时,使电子通过率提高到接近100%。然后在CHIPIC软件平台上对其进行三维模拟验证,通过率达到98.6%,且聚焦良好。谐振腔是实现速调管高性能的高频结构,利用CST软件对各谐振腔进行了分析。主要研究了谐振腔的谐振频率、品质因数Q、特性阻抗R/Q的计算方法,以及其结构尺寸如腔高、半径、间隙长度和漂移管头形状的影响。对输入腔的外观品质因数、回波损耗和驻波比进行了计算,并冷腔模拟了各腔特别是双间隙输出腔TM010模的电磁场分布。最后在CHIPIC图形界面平台上对器件进行建模,综合考虑器件的尺寸、模拟所需时间及正确性,采用0.15~0.5mm的非均匀网格划分。为了保证内存不溢出,将模拟区域分成若干段,多个线程并行的方式进行整管模拟。输入频率为3.1GHz、功率约为100W的高频信号,得到频率为3.1GHz较为纯净的输出信号,峰值功率为1.7MW,平均功率约为825k W,效率为34.3%,增益约为39.2d B,带宽为200MHz。