为了实现高功率微波发生器的小型化, 开展了S波段低磁场相对论返波振荡器工作特性的研究工作。由于S波段返波振荡器频率低, 对应的电子回旋共振磁场强度也很低, 因此低磁场条件下面临着电子束传输效率低和束波互作用效率低两大问题。为解决上述问题, 采取下列措施: 通过加大电子束与器件内壁的距离, 提高电子束传输效率; 采用较深的慢波结构作为提取腔, 实现高束波互作用阻抗; 提取腔前采用浅深度慢波结构, 使提取腔区域的电子速度与微波相速同步。粒子模拟证明, 以上措施有效, 在引导磁场强度仅为0.17 T、电子束电压435 kV、电流6.5 kA的条件下, 该返波管获得功率为670 MW、效率约为25%的输出微波。相对于常规S波段相对论返波振荡器的磁场系统(B=0.8 T), 适用于该返波管的0.17 T低强度磁场系统螺线管外半径下降了20%, 能耗下降了约93.8%。

针对kW级微波驱动的锁相GW高功率微波，设计了一个高增益(大于50 dB)四腔相对论速调管放大器(RKA)。模拟表明，在此条件下高次模振荡严重影响器件的锁相实现。由此，将RKA结构与正反馈振荡电路结合起来，建立相应的等效电路来研究这种高次模激励的物理过程(即高次模的激励与中间腔之间耦合强度的相关性)。在高次模振荡的等效电路(即正反馈振荡电路)中，用衰减电阻代替结构中的微波吸收层来研究高次模振荡的抑制机理，衰减电阻通过对反馈过程的控制，提高了电路的自激振荡起振电流。在结构上按照衰减电阻要求设计了微波吸收层，将高次模振荡的起振电流提高到大于器件的工作电流，实现了高增益(约60 dB)条件下高次模激励的抑制。模拟获得了4 kW微波功率驱动的2.3 GW锁相高功率微波，增益接近60 dB。在LTD加速器平台的实验结果表明：注入微波由固态RF种子源提供(功率10 kW)，输出功率达到1.8 GW，增益为52.6 dB，90 ns内输入和输出微波的相对相位差小于±10°，实验上实现了kW级注入微波对GW高功率微波的相位锁定。