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回旋行波管(Gyrotron Traveling-Wave Tube:Gyro-TWT)能够在毫米波和亚毫米波段产生宽频带、高功率电磁辐射，在毫米波雷达、电子对抗、气候与环境监测和深空探测等领域具有良好的应用前景。Gyro-TWT是基于电子回旋脉塞(Electron Cyclotron Maser:ECM)对流不稳定性工作的一类快波器件。采用高次模式工作，在提高工作频率的同时增加了互作用空间，能够实现高功率输出。不过，对宽频带工作的Gyro-TWT，较低次模式的寄生振荡会限制器件性能的进一步提升，阻碍器件的实用化进程。如何有效地抑制振荡模式的输出，是Gyro-TWT能够高效工作的核心问题，只有解决了Gyro-TWT的稳定性问题，才能进一步提高器件的性能。前人的研究主要关注单个模式工作的理想情况，不能分析振荡模式的存在对工作模式的具体影响。深入研究Gyro-TWT中的模式竞争问题具有重要的学术意义和工程意义，有助于深入理解Gyro-TWT的工作机理，指导实际的工程研制。本文基于国际上学术和工程研究常用的分布式介质加载圆波导互作用结构，考虑多个模式同时存在的条件下，围绕Gyro-TWT中模式竞争问题开展理论和数值模拟研究，探讨寄生振荡模式抑制和工作模式的稳定过程，并通过实验结果佐证理论的合理性。本论文开展的主要工作及创新贡献如下: 1.在对Gyro-TWT注波互作用研究现状充分理解和分析的基础上，基于目前国际上实验研究的均匀介质加载(Uniform Dielectric-Loaded:UDL)和周期介质加载(Period Dielectric-Loaded:PDL)结构，建立了一种分布式损耗加载Gyro-TWT多模注波互作用稳态理论，弥补了早期理论不能同时考虑工作模式和振荡模式都是处于大信号工作状态的不足。 2.利用建立起的多模稳态理论，以Ka波段TE01模式基波Gyro-TWT注波互作用为例，研究了UDL和PDL两种加载模型中返波振荡的抑制和工作模式稳定过程，分析了引导中心半径和速度离散对输出电性能的影响。分析计算结果表明，损耗的增强对抑制返波振荡比输入功率增加更有效，PDL结构达到零驱动稳定的损耗正切比UDL结构的更小。此外，在相同的几何和电参数条件下，本文建立的多模理论模拟设计PDL注波互作用电路达到的电性能与中国科学院电子学研究所高功率微波源与技术重点实验室研制的PDL结构Gyro-TWT实验样管测试数据有合理的一致性。 3.利用建立起的多模稳态理论，在合理选择几何和电参数的基础上，设计了一支W波段PDL结构Gyro-TWT的注波互作用电路。将本文多模理论设计结果与Magic仿真结果进行比较，发现理论设计结果与Magic仿真结果能够较好地吻合，为Gyro-TWT研制提供了一种快速有效的设计手段。