回旋返波管(Gyro-BWO)是基于电子回旋脉塞(ECM)机理、具有宽频带连续调谐特性的毫米波、准毫米波大功率辐射源，因在强干扰机、定向能电磁辐射武器、高性能材料处理和微波催化等方面具有重大应用前景，国际上很重视它的理论和实验研究。目前，回旋返波管发展有二个最大难题：一是高频谱纯度的获得，因采用传统结构的磁控注入电子枪产生的电子注，其轴向速度零散较大，导致工作频率点波动，此外，为了增加功率容量，互作用结构一般采用过模波导，因此模式竞争也影响了输出频谱纯度；二是高工作效率的获得，Gyro-BWO的电子注相位群聚发展方向与高频场强增长方向相反，这种不一致使得注波换能的互作用效率不可能很高。 为解决第一个难题，本学位论文提出了一种改进型单阳极磁控注入电子枪设计，它所产生的高功率螺旋电子注的轴向速度零散较小，而且加工制造并不复杂。此外还提出了一种新颖的TE0n模式选择高频互作用结构，可有效地抑制其它非圆电模式。针对第二个难题，该论文提出了两种创新设计：①采用一种新颖模式变换结构，使高频功率在电子注进入互作用结构处侧面输出至负载，这样便可利用降压收集极提高器件的总电子效率(即工作效率)。所设计的收集极降压Gyro-BWO已完成工程制管，器件性能待测。②采用复合管形式，在同一管体内将互作用效率低的回旋返波振荡器通过电子耦合级联回旋速调行波段作高功率倍频放大，这样不仅可将器件的工作效率大大提高，而且输出频率可以是返波振荡频率的二倍，因此获得连续调谐的高功率毫米波输出可采用比较低的与二次谐波gyro-BWO相同的工作磁场。此一设计工程制管已完成并实验测试获得500MHz调谐带宽、110kW峰值功率、11﹪效率的输出结果。