为了实现高功率微波源低磁场及长时间稳定运行，开展了S波段GW级多注相对论速调管放大器（RKA）的理论模拟设计与实验研究。首先，采用一维大信号非线性理论软件优化设计了S波段4腔多注RKA，找到了器件工作的最佳参数：采用电压550 kV、束流4.7 kA的14注RKA，获得功率1.1 GW、效率43%的输出微波。随后，采用粒子模拟软件对理论设计的束波互作用参数进行了验证，获得了输出功率992 MW，器件效率为37%。最后，根据模拟参数开展了器件重频长时间运行实验研究。采用紧凑同轴Marx功率源驱动S波段四腔多注RKA，在电压530 kV、束流5.4 kA、重频20 Hz、运行时间1 s、引导磁场强度0.39 T、注入微波功率1.7 kW的条件下，获得了功率934 MW、脉宽69 ns的输出微波，束波转换效率33%。在器件重频20 Hz、运行时间10 min条件下，坚实了平均功率889 MW、平均脉宽42 ns的输出微波。该研究结果为S波段RKA的低磁场和长时间运行打下了的技术基础。

针对器件工程应用中的高功率高增益需求，设计了工作在X波段的高功率高增益多注相对论速调管放大器，建立了带输入、输出波导结构的三维整管模型。设计双边对称耦合孔输入腔结构，降低了输入波导对输入腔间隙电场均匀性的影响以抑制非均匀干扰模式；设计采用多腔多间隙群聚结构，降低了输入微波功率的需求，提高了器件放大增益；并且分析设计了多间隙扩展互作用微波提取结构，提高了器件的功率转换效率以及降低输出结构表面电场强度。通过优化设计，粒子模拟仿真实现X波段多注相对论速调管放大器输出微波功率达到3.2 GW，器件放大增益约为60 dB，功率转换效率约为40%。器件验证实验在电子束电压550 kV，电流5.1 kA的情况下，输出功率为0.99 GW，放大增益约为53 dB，转换效率约为35%。

为了进一步提高S波段高功率强流长脉冲相对论速调管放大器(RKA)的重复频率稳频稳相运行的性能，采用实验结合理论和模拟的方法，分析了其主要制约因素，特别分析了造成器件脉冲缩短和重复频率运行不稳定等问题的根源。研究结果表明，RKA中的中间腔和输出腔的电子反射、电子散焦轰击腔体鼻锥是造成脉冲缩短、重复频率运行不稳定的主要根源。通过采用大漂移管半径的器件结构、在漂移管中加载吸波材料以及引导磁场位形、采用电子发射较均匀的碳/碳复合阴极材料等措施，使杂频振荡、脉冲缩短和重复频率工作不稳定性等问题得到了明显减轻，输出微波相位稳定性得到显著提高。采用电压830 kV、束流7.7 kA、脉宽190 ns的环行电子束驱动S波段3腔RKA，重复频率25 Hz运行得到了峰值功率1.55 GW、脉宽163 ns、相位抖动18°（rms）的输出微波。

首先通过理论分析确定影响多注电子束引入效率的主要因素，确定初步的结构参数；其次利用三维粒子模拟软件建立Ka波段相对论多注二极管模型进行仿真优化，使电子束引入效率达到89%；并开展了电子束的产生与传输实验研究，验证了粒子模拟仿真结果。在电子束电压502 kV、束流4.34 kA、轴向磁感应强度0.76 T的条件下，电子束引入效率达到了72%，由电子束轰击尼龙靶材获得的电子束束斑图表明，电子束在产生与传输过程中形状未发生畸变，产生的电子束直径约为2 mm。模拟和实验研究验证了设计的强流多注二极管可以产生高品质的电子束和实现高效率的电子束引入。