设计了一种X波段过模高效率相对论返波管（RBWO），主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6，电子束与结构波TM01模的近π模相互作用，在慢波结构区域束波作用产生的TM01模表面波主要转化为TM02模的体波，其输出微波的模式主要为TM02模，占比为81%，其余为TM01模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路，结合模式匹配法，优化得到了一种双谐振腔反射器结构，其对TM01模与TM02模的反射系数均大于0.99，可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离；同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制，将促进慢波结构区域的束波作用，有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔，进一步提升了转换效率。PIC仿真中,在二极管电压900 kV，电流14.3 kA，得到了6.6 GW的输出功率，转换效率约51%。

介绍了大功率容量定向耦合器的设计、标定、测试与应用情况。以X波段圆波导定向耦合器为例，在9.2~10.2 GHz的频带范围内，基于小孔耦合理论优化设计的结构，其耦合度可以稳定在(55±2) dB以内，隔离度大于80 dB。在此基础上，设计加工了X波段圆波导定向耦合器并进行了标定测试，测试与仿真结果吻合较好，高功率微波实验证实了其具有较高功率容量，能够满足实验需求。该类圆波导定向耦合器已广泛应用于实验室高功率微波源的在线测量装置中。

基于相对论返波管振荡器,提出了一种小信号牵引相位控制的方法,通过外加小信号对振荡器起振过程的引导,实现对输出微波的相位控制。相比于传统的方法,该方法可以利用ns量级的脉冲在较宽的带宽和较低的注入功率下实现对高功率微波振荡器的相位控制。在X波段相对论返波管振荡器相位控制实验中,利用百kW级的小信号,实现了对GW级高功率微波的输出相位控制,相位抖动小于±15°。

对速调型相对论返波管慢波结构色散特性及束波相互作用进行了理论研究。色散特性研究表明：器件工作模式为TM01模，近π点，耦合阻抗较高。色散特性预测的工作频率与粒子模拟结果非常接近。慢波结构峰值增长率相对较小，这与电子束与慢波结构相距较大有关，因而器件从起振到饱和的时间较长。在束波相互作用理论中，全面考虑了电子束与慢波结构前向波基波、反向波－1次空间谐波及空间电荷场相互作用、谐振反射器对电子束进行的束流调制和能量调制作用，以及调制腔和提取腔处引入的耦合阻抗及轴向波数突变。稳态和非稳态计算结果均获得了超过40%的束波转换效率。

根据同轴相对论返波管的特点建立了物理模型, 采用时域有限差分法研究了同轴相对论返波管中波束作用过程。研究表明:同轴相对论返波管中波束作用的输出效率与两端反射系数密切相关, 而且其内部场分布特点对于提高输出效率非常有利。经过优化设计, 利用 500 keV, 4.0 kA 电子束流, 微波起振时间为7 ns, 输出效率大于38%, 与以往数值模拟和实验结果符合较好。根据计算结果进一步分析得到, 与空心相对论返波管相比, 同轴相对论返波管中空间电荷效应的影响较小。

对相对论返波管实验中射频击穿现象进行了分析和数值模拟研究，发现谐振反射器和慢波结构的局部场增强诱导了场致电子发射，引起了金属表面的射频击穿，通过研究分析，提出采用分布反馈式谐振反射器，并采用梯形倒角非均匀慢波结构替换正弦慢波结构的方法来抑制射频击穿。数值模拟研究表明，在微波功率2 GW时，改进后的反射器最大场强由1.4 MV/cm降低为570 kV/cm，慢波结构表面最大电场由1.1 MV/cm降低到780 kV/cm。改进后的结构在二极管电压765 kV时获得了微波功率2.2 GW、脉宽45 ns的实验结果，微波功率和脉宽得到显著提升。

理论分析了二极管磁绝缘传输线(MITL)区阻抗不连续和二极管阻抗随时间的变化对波过程的影响。结果表明：若MITL区电长度远小于入射波脉宽，则二极管前端测得的电压电流幅值反映了阴极处电压、电流，电压与电流的比值由二极管阻抗确定；为加快阴极处电压、电流前沿，MITL区各段传输线沿波的传输方向可采用阻抗渐增的方式，且取中间元件的阻抗为其两端元件阻抗的均方根；测点电压、电流前沿在时间上可分为传输、全反射和束流形成阶段；梯形电压波入射下，测点波形前沿全反射阶段电压较传输阶段增长速度倍增，电流为一段平台；实际电压波入射下，测点电压波形前沿为一条不断增长的曲线，电流波形前沿存在振荡。

根据线性理论推导同轴相对论返波管色散方程和线性增长率,分别给出了波纹深度和波纹周期改变对于同轴相对论返波管线性增长率的影响规律,发现在一定范围内,减小波纹周期或者增大波纹深度能够降低结构波相速度,获得较大的线性增长率。

粒子模拟了电子碰撞空气产生的等离子体对同轴慢波结构高功率微波器件的影响,并且在充空气条件下对器件结构参数进行了进一步优化.模拟表明,气压越高,产生的二极管电流越大,二极管电压越低,频率越低.等离子体离子对电子束的空间电荷中和及等离子体电子对微波的能量吸收共同影响输出微波功率的大小.在一定的气压范围内,提高气压能够提高输出功率,此时等离子体离子对电子束的空间电荷中和起主导作用.气压高于一定值时,所产生的等离子体电子强烈吸收微波,输出功率迅速下降,甚至引起脉冲缩短.此外,由于等离子体的存在,器件最佳相互作用区长度以及最优端面反射系数均有可能发生改变.最后还对慢波结构周期数以及漂移段长度等进行了研究,优化的器件内、外导体周期数为11和8.5,慢波结构前端以及内外慢波结构末端分别接4, 17和2 mm的漂移段,在气压4 Pa下获得了1.64 GW的输出功率,效率39%.

对一种同轴慢波结构相对论高功率微波产生器进行了初步的实验研究.利用数值模拟优化得到的结构,建立了实验装置.初步实验结果表明:该种器件具有微波产生效率高的优点,在实验系统并没有达到优化状态的情况下得到的微波转换效率达28%,峰值功率约为1.3 GW.微波频率基本不随二极管电压变化,约为7.7 GHz,这与文献中数值模拟给出的结果一致.