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。

为了实现高功率微波(HPM)系统小型化，结合传统低磁场相对论返波管振荡器(RBWO)的设计理论，设计一个Ku 波段较低磁场的相对论返波振荡器。分析束压、束流、引导磁场等对输出微波的影响，并采用粒子模拟软件(PIC)优化结构。当轴向引导磁场为0.4 T，电子束束压和束流分别为600 kV 和7 kA 时，得到频率为13.08 GHz，功率为1.0 GW 的微波输出。在强流电子束加速器平台上开展实验验证模拟结果：外加磁场0.4 T 时，得到平均功率为850 MW、频率13.05 GHz、脉宽24 ns 的微波输出。该实验结果为实现较低磁场GW 级微波输出打下了良好的基础。

在高增益相对论速调管放大器中,自激振荡严重影响器件的正常工作并导致脉冲缩短。通过粒子模拟研究了高次模式自激振荡的激励机制,并提出在器件内加入微波衰减材料来抑制该类自激振荡。详细研究了衰减材料的电导率和几何参数与高次模式衰减常数的关系,并开展了微波衰减体的冷测实验。冷测表明微波衰减体对高次模式的衰减达11.25 dB,其性能满足器件实验要求,可以用于高增益相对论速调管的热腔实验。

通过二维和三维粒子模拟研究了高增益相对论速调管放大器中高次模式的激励机理,两者结果的一致性排除了高次非对称模式激励的影响。由此建立了高次模式起振的理论模型,给出了高次模式的起振电流。并通过在器件内加入微波衰减材料来抑制高次模式自激振荡,模拟获得了1.95 GW的微波输出,增益62.8 dB。

在速调管放大器中，中间谐振腔一方面可以提高器件的放大增益，另一方面也容易产生杂频振荡，影响器件正常工作。针对这种杂频振荡的影响，在三腔相对论速调管的基础上发展了四腔相对论速调管。采用PIC粒子模拟软件从整管上对四腔强流相对论速调管放大器的冷腔结构、束波互作用、微波提取等方面进行研究。为得到输出功率和效率的最优值，结构上采用低互作用输入腔，设计了阶梯状结构漂移管，通过对输出腔作用间歇进行优化处理抑制电子回流。模拟结果表明整管微波模拟输出功率达了3.7 GW，效率22%，增益56 dB，1 dB带宽74 MHz，并实现了对杂频振荡的抑制。

模拟研究了电子束电压、电流及注入微波功率等参数对相对论速调管放大器中电子回流产生的影响，模拟发现注入微波过高、电子束电压过低及电子束电流过大都会导致电子回流。同时研究了回流电子对相对论速调管稳定工作的影响，研究发现，电子的回流会引起自激振荡，进而导致锁频锁相失败，器件不能稳定工作。

较高密度的相对论电子束注入等离子体中将会形成离子通道,在考虑了离子通道的影响下,推导出圆柱波导中更普遍的色散方程,并计算出考虑离子通道和不考虑离子通道效应时的色散关系及电磁波的增长率.

数值计算了一种填充等离子体的波纹波导结构的行波管,在强引导磁场下,被一环形相对论电子注驱动的小信号增益.详细地分析了等离子体的浓度、电子注的电压、电流及其在慢波结构中的传输位置对行波管的增益、带宽和中心频率的影响.

推导了无引导磁场下具有离子通道的波纹波导中的色散方程,并通过数值计算分析了该慢波结构的几何参数如波纹周期、波纹深度以及波导平均半径对相对论行波管的带宽及增益的影响,为相对论行波管的设计提供了一定的依据。