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行波管是使用最广泛的真空电子器件之一,以其大功率、高效率、超宽带、高可靠、长寿命以及抗辐射等特性,广泛应用于卫星和航天器的转发器、数据传输系统、有源相控阵系统以及电子对抗等领域。随着5G通信技术和有源相控阵系统的发展,以及用户对高速数据传输和频谱资源需求的日益加剧,对行波管的功率、效率、线性度以及带宽提出了越来越高的要求。然而行波管注波互作用过程中产生的非线性失真特性将直接影响系统的整体性能。其中群时延失真特性将影响卫星通信的误码率、导航系统的时间同步精度以及伪距测量精度;调幅调相失真特性会导致寄生频谱分量的产生,从而增加系统的误码率;三阶互调失真特性会直接影响通信系统、卫星导航系统的误码率,其三阶互调抑制比已成为衡量行波管线性化程度的重要指标;谐波的产生将降低行波管的输出功率,同时产生的谐波将与基波相互耦合,从而产生互调产物,增加系统的误码率。因此,亟需对行波管非线性失真特性的理论模型、物理机制以及抑制方法展开研究,从而为行波管的线性化设计提供理论支撑和指导。本论文主要围绕行波管非线性失真特性解析模型的建立以及非线性失真特性产生机理和抑制方法的研究而展开,主要工作及创新点如下:1、建立了修正的Pierce三波小信号理论模型。为得到更加精确的Pierce三波小信号理论模型,首先从Pierce四波小信号理论模型出发,对其特征方程非线性项采用更加精确的处理方式,从而得到修正的Pierce三波特征方程。然后对降低的等离子体频率波数进行修正,得到修正的边界条件,进而建立了修正的Pierce三波小信号理论模型。通过两支空间行波管的仿真,结果表明:相较于经典Pierce三波小信号理论模型,修正的Pierce三波小信号理论模型得到的功率、增益和相移与拉格朗日注波互作用理论模型更加一致,具有更高的精度。2、建立了行波管欧拉非线性注波互作用理论的逐次逼近解析模型。首先从相位展开的行波管欧拉非线性注波互作用理论出发,对运动方程和场方程进行联立解耦并忽略二阶以上的非线性项,从而建立了欧拉非线性注波互作用理论的简化模型。然后通过采用逐次逼近法对该欧拉非线性简化模型的解析解进行推导,进而建立了行波管欧拉非线性注波互作用理论的逐次逼近解析模型。通过两支空间行波管的仿真,结果表明:在1dB增益压缩点,逐次逼近解析模型的计算结果与拉格朗日理论模型十分吻合。同时,相较于传统欧拉理论模型,不仅精确更高、形式更简单,还能表现出饱和状态(即增益压缩和相位反转)。3、基于行波管欧拉非线性注波互作用理论的一阶逼近解析解(小信号解析解),建立群时延解析模型,并得到群时延的产生机理和抑制方案。首先从欧拉小信号解析解出发,推导群时延的小信号解析解,从而建立了群时延的解析模型。然后,利用群时延的解析模型得到群时延的产生机理,并根据群时延产生机理,得到影响群时延的关键参量,进而提出群时延的抑制方案。最后采用群时延的抑制方案,实现了一支在研Ku波段空间行波管的群时延抑制。4、基于行波管欧拉非线性注波互作用理论的逐次逼近解析解,建立了调幅调相(AM/AM转换和AM/PM转换)解析模型并得出调幅调相非线性失真特性的产生机理和抑制方案。首先从欧拉非线性注波互作用理论的逐次逼近解析解出发,推导了AM/PM转换特性的各阶逼近解析模型,从而得到AM/PM转换特性的产生机理。然后利用该产生机理得到影响AM/PM转换的关键参量,进而提出AM/PM转换的抑制方案。最后推导了AM/AM转换特性和增益的各阶逼近解析模型,并对小信号增益变化和增益压缩的物理机制进行了分析。5、基于调幅调相解析模型和三阶互调快速计算模型,提出了三阶互调的抑制方案并实现三阶互调的抑制。首先对三阶互调快速计算模型进行推导,然后利用三阶互调快速计算模型得到影响三阶互调的关键参量,并结合调幅调相失真特性的产生机理和抑制方案,提出三阶互调的抑制方案。最后通过两支空间行波管的仿真,在保证功率满足用户指标的前提下,实现三阶互调的抑制。6、发展了行波管考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型。从考虑谐波互作用的拉格朗日非线性理论出发,将离散的粒子近似处理为流体,得到电子相位的连续分布函数。然后对电子相位连续分布函数进行傅里叶一阶展开,并结合贝塞尔母函数关系式,建立了考虑谐波互作用的欧拉非线性理论模型。通过两支空间行波管的仿真,结果表明:在1dB增益压缩点,考虑谐波互作用欧拉非线性理论模型的计算结果与拉格朗日理论模型十分吻合。7、建立了行波管考虑谐波互作用欧拉非线性理论的解析模型,进而得到反常色散抑制谐波的物理机制。通过对考虑谐波互作用的欧拉非线性方程组进行联立解耦并保留三阶及以下的非线性项,得到考虑谐波互作用欧拉非线性理论的简化模型。采用逐次逼近法对该简化模型的解析解进行推导,得到基波的四阶逼近解析解、谐波的二阶逼近解析解以及相对相位角的解析解。通过模拟仿真验证了考虑谐波互作用欧拉非线性理论解析解的正确性和有效性。最后通过构造色散模型,数值模拟结合理论分析,分析得到反常色散抑制谐波的物理机制。