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回旋行波放大器（Gyro-TWA）是一种基于电子回旋脉塞(ECM)不稳定性的快波器件，它能够在毫米波和亚毫米波段产生高功率、宽频带的电磁波输出，在先进雷达、深空通信、粒子加速器、国防安保、环境监测等领域具有巨大的实用价值。本文从注-波互作用理论出发，基于回旋行波放大器工作不稳定性及其稳定化，开展理论分析、数值模拟和参数优化工作。 1、从单模稳态理论出发，根据高频场的空间分布假设的不同依次推导出了多模稳态理论和时变理论，极大的拓展了理论的应用范围，同时保持物理图像清晰，在各自适合的领域内能方便地对回旋行波放大器进行模拟研究。 2、将回旋行波放大器小轨道电子注非线性理论推广到大轨道电子注非线性及适用于电子注偏心的情况。以一个30GHz，TE21二次谐波大轨道回旋行波放大器为例，分别研究了大轨道电子注偏心对工作模式和返波振荡模式的影响。结果表明，对于工作模式，偏心导致了放大器的平均单位长度增益下降;而对于返波振荡模式来说，偏心导致了可能存在的振荡模式发生变化，使得大轨道电子注偏心时的模式竞争更加复杂。 3、将时域理论应用于TE01模基波回旋行波放大器，模拟结果显示，电子注偏心的影响随电子注引导中心半径的不同而不同。偏心对于达到稳定后的增益和所需时间的影响效果基本相反，同时当输入功率增大时偏心的影响变得不再明显。通过引入了一个新的耦合强度，成功地解释了电子注偏心的影响，获得了精确的数学描述和物理结果。 4、以一个34 GHz圆波导TE01模回旋行波放大器为例，通过使用多目标遗传算法对其加载分布式损耗的电阻率和涂覆厚度参数进行优化，得出了两个参数的最佳组合值。接着通过单目标遗传算法对该值的准确性进行了验证，两种算法符合的很好，最终使得回旋行波放大器在有效抑制了回旋返波振荡的同时实现了增益的最大化。 5、对中国科学院电子学研究所多年积累的成果（一整套基于线性理论和稳态非线性理论的回旋行波放大器模拟分析程序），通过打包封装成为一个独立的软件，并配以图形用户界面，使之能够独立运行，使用起来简单方便，风格清晰，运行快捷，同时，所具有的功能又十分丰富，可以为回旋行波放大器的参数设计，分析提供有效的支持。