毫米波频率范围是从30到300GHz,具有波长短和频率宽等特点。近年来由于频谱资源的日益紧张,迫使各国不得不向高频段发展,因此毫米波备受青睐,各类毫米波器件也相继问世。在毫米波器件中回旋行波管的发展相对于其他器件的发展要滞后些,但是他具有工作带宽宽,输出功率高等特点,可以满足现代军用及民用对功率放大器的需求,所以近年来毫米波回旋行波放大器成为研究热点。随着电子真空器件工作频率的升高,将会带来一系列的问题抑制器件的发展,比如尺寸共度效应,功率容量问题等,由于工作频率高,导致器件的结构小,进而导致器件的功率容量小,以及加工制作难等问题。为了解决互作用腔的功率容量等问题一般选择高次模式作为器件的工作模式,但是这样会使得模式竞争更加激烈,导致回旋管很难得到稳定的输出,这也是制约毫米波回旋行波管发展的主要因素,对此业界也提出了一些抑制模式竞争的方法来让行波管处于稳定状态:如在传统圆波导中添加衰减材料抑制模式竞争,但是这存在加工难以及散热等问题;利用光子晶体的特殊性来抑制模式竞争;利用共焦波导结构特点,来抑制模式竞争,他是一种开放式互作用腔,可通过开放的两侧对竞争模式衍射损耗,达到抑制模式竞争的目的。回旋行波管是以电子回旋脉塞效应为基础的高功率电子真空器件,在互作用腔中进行能量交换实现对电磁波的放大。本文采用共焦波导作为回旋管行波管的互作用腔,研究分析了共焦波导的结构设计、高斯场的分布、衍射损耗、模式竞争、回旋管的返波振荡引起的不稳定和绝对不稳定性和等问题。具体的工作如下:1、首先简单介绍了毫米波回旋行波管的发展现状和制约其发展的原因;根据回旋行波管的工作原理深入研究共焦波导中高斯波束,分析推导高斯波束电磁场分布方程;分析了回旋行波管的稳定性,给出了起振电流计算公式和返波抑制的方法。为共焦波导回旋行波管的研究模拟奠定基础。2、分析共焦波导结构设计和衍射损耗特性。设计140GHz共焦波导回旋行波放大器。研究了他的稳定性和返波振荡特性,并且设计出抑制返波振荡的结构。利用粒子模拟软件对其进行数值模拟,通过模拟不断优化电参数和结构参数,最终得到具有稳定输出的140GHz回旋行波放大器,输出峰值功率为6.87kw,效率为9.03%,1dB带宽2.3GHz。3、在设计140GHz回旋管的基础,设计了一款220GHz共焦波导回旋行波放大器,重点分析了回旋行波管的起振电流和返波振荡抑制方法。通过粒子模拟软件对其进行数值仿真,不断的优化结构参数和工作参数,最终得到具有稳定输出的220GHz共焦波导回旋行波放大器,输出峰值功率14.12kW,峰值效率10.8%,3dB工作带宽4.8GHz。