回旋行波管放大器以其高功率、宽带宽等显著的特点，成为最有发展潜力和应用前景的毫米波相干辐射源，在高功率毫米波雷达、通讯、精确制导、材料处理和高能粒子加速器等领域有着广泛的应用，在国际上受到了广泛关注。但是，由于回旋行波管放大器的互作用机理比较复杂，非常容易受到寄生模式的干扰，因而相对回旋振荡管和回旋速调管而言，其发展相对缓慢。回旋行波管互作用机理和结构的设计一直是毫米波回旋管领域的研究热点和难点。 本文从回旋行波管的物理本质出发，系统研究了回旋行波管放大器注波互作用的特点，在单粒子理论的基础上建立了分析多段损耗波导结构回旋行波管放大器的理论模型。并且在理论模型的指导下，分别完成了W波段两段损耗波导结构基波回旋行波管放大器的设计、W波段损耗陶瓷结构基波回旋行波管放大器的设计、两段损耗波导结构二次谐波回旋行波管放大器的设计，并给出了可信的粒子模拟结果。 首先，基于单粒子理论，完善了回旋行波管放大器的非线性理论模型，该模型较详细地考虑了磁场和波导半径渐变、速度零散、波导损耗等因素对注-波互作用的影响。并基于该理论模型，自行开发了适用于分布式损耗结构和损耗陶瓷结构回旋行波管的自洽非线性程序。 利用线性理论和非线性理论模型，详细分析了起始损耗、绝对不稳定性和回旋返波振荡、相位稳定性等回旋行波管的本质物理现象。系统分析了回旋行波管放大器中，速度零散的产生和速度零散对注-波互作用过程的影响。为回旋行波管的设计和优化提供了有力的分析手段。 基于非线性理论程序和通用PIC粒子模拟软件，分别完成了对W波段基波两段损耗波导结构回旋行波管放大器、W波段二次谐波两段损耗波导结构回旋行波管放大器和W波段基波损耗陶瓷结构回旋行波管放大器的注-波互作用的模拟计算，获得了比较准确的电磁波和粒子互作用的输出结果。研究了影响放大器输出特性的各种因素，分析了电子注参数、互作用结构参数以及工作磁场的变化对放大器输出特性的影响等，为其工程设计和实际热测提供了重要的参考依据。