在真空电子器件领域,行波管经过几十年的发展,已经被广泛的应用到国防科技、卫星通信等各个领域。其大功率、高效率、可靠性高等特点成为了其与固态器件竞争的重要优势。随着快速发展的第五代移动通信系统的逐渐普及,同时各领域在低频范围内的频谱资源分配愈发紧张,将毫米波技术应用到现代通信系统中可谓大势所趋,也为行波管这一具有悠久发展历史的器件注入了新的生命力。但是,从行波管注波互作用理论出发不难发现,此类器件是一类非线性器件,工作过程中必然会产生各种非线性特性。随着高频激励的不断增加,会产生幅度失真、相位失真等现象;当两个或者多个信号同时输入行波管,与电子注发生互作用时,由于信号间的相互调制,会产生交调失真。这些非线性失真特性,必然会影响通讯系统、卫星导航系统的正常工作。以上所述的行波管非线性特性如果不得到有效抑制,将影响行波管等真空电子器件在通信等领域的发展前景。因而,亟待从行波管原理出发,推导出能够描述行波管单信号和多信号输入情况下,其非线性注波互作用的工作方程组。由此找到一些抑制行波管非线性特性的方法,从而为行波管的抑制非线性设计提供相关依据。本文的主要工作如下:1、从电子注受电磁波非线性调制及波的激励出发,利用瓦因斯坦大信号理论,推导出了行波管多信号输入模式下电磁波和电子注互作用的自洽常微分工作方程组。2、本文推导出的行波管多信号注波互作用工作方程组可从初始条件出发,利用迭代的方法求解。因此选用龙格-库塔数值求解方法,在Matlab中对方程组进行了数值计算,通过输出结果得到行波管的主副特性。3、研究描述空间行波管非线性特性的相关参量,针对行波管的非线性特性,提出了改善行波管线性度的结构优化方案。最终优化了某W波段空间行波管的相关结构参数,在保持较好的行波管主特性情况下,其非线性特性得到明显改善。