针对高功率微波器件的低磁场小型化发展需求，设计了工作在S波段的低磁场紧凑型相对论磁控管，建立了三维仿真模型。设计衍射输出结构，输出模式为TE₁₁模。在圆波导中TE₁₁模具有最小的截止半径，因此选取TE₁₁模输出比高阶模输出具有更小的波导半径。分析了磁控管的输出性能随磁场、输出波导半径和倾斜角的变化规律。在磁场0.34 T、电压352 kV条件下，模拟仿真结果显示磁控管输出功率达到567 MW，功率转换效率为62.5%，在频率为2.37 GHz时波导半径仅为77.5 mm。

提出了一种圆极化TE₁₁输出模式旋向可在线切换的相对论磁控管。该器件互作用区结构采用同腔型磁控管结构，输出结构采用全腔提取结构，励磁系统采用Helmholtz线圈磁场系统。本文利用全腔提取结构的模式激励理论对该器件的输出模式成分进行了理论分析，利用粒子模拟软件对该器件的工作性能进行了模拟研究。粒子模拟结果表明：在外加电压770 kV和外加轴向磁场0.2 T（方向与微波轴向输出方向同向）的条件下，该器件的工作模式为5π/6模，工作频率为2.35 GHz，输出功率为3.86 GW，功率效率达到55.5%，输出模式为右旋圆极化TE₁₁模式且模式纯度达到99%以上；当外加轴向磁场与微波轴向输出方向反向时，该器件的输出模式即可在线切换为左旋圆极化TE₁₁模式，而其他输出性能基本保持不变。