受固态功率器件冲击以及太赫兹应用需求,电真空类行波管不断要求向更高频率、更高功率方向发展。传统结构的行波管因其精细的结构和复杂的加工无法提供更高频率的高功率输出,因此需要采用新型高频结构行波管,同时寻求更大的输出功率。通过集成和级联等空间合成方式是目前解决大功率输出的有效手段。同时由于现代加工工艺的不断突破,从大电流阴极发射到LIGA和DRIE等技术的发展,为真空器件的规模集成提供了可能。论文围绕集成行波管所涉及理论、设计与仿真开展研究工作,工作的主要内容和创新点可以概括为下述五个方面。1、建立了电子光学多注集成系统基本理论。从静态场的Maxwell方程组,考虑相对论效应的动量方程以及电流连续性方程出发,构建了电子光学基本理论模型。在轴对称系统的基础上,发展了多注集成系统要求的非轴对称电子光学系统理论模型。2、建立了任意结构的通用注波互作用理论模型。通过分析任意结构的普遍场形态,得到了任意周期结构下的小信号注波互作用理论模型。结合注波互作用过程中能量转化与守恒关系,建立了通用场理论模型,进而发展了通用的注波互作用大信号模型。针对集成行波管两类典型结构:并联和串联集成结构的注波互作用特性进行了分析和讨论。最后,建立了多电子注与电磁波的互作用理论模型,并分析了级联行波管的输入功率限制问题。3、完成了多注并联集成行波管的电子光学系统分析。重点讨论了均匀场、Wiggler场、PCM场等多种类型磁场约束带状电子轨迹,并研究了带状电子注的空间合成技术,以及高效率多注收集极分析,探讨了并联集成行波管电子光学关键技术。4、完成了平面级联行波管相关理论及设计研究。平面级联行波管能极好的适应行波管集成加工的特点,并能获得更高的输出功率。但各高频结构的关键连接结构是制约级联性能的关键。论文给出了高频分析的基础理论,讨论了平面级联行波管的连接方式,最终设计了新型E面截角波导,获得优良的传输性能的同时压缩了连接尺寸。5、完成了异构级联行波管的仿真和设计。异构级联行波管能够充分不同高频结构各自的注波互作用特性发挥各自的优势,从而使级联行波管获得更好的性能。首先提出了级联行波管的设计方法,以V波段螺旋线-折叠波导级联行波管为典型代表,结合两类高频结构的优势最终级联行波管整体性能满足55-60GHz(5GHz带宽)内获得800W的功率和55dB的增益。