随着高功率微波源向高功率、高频率和长脉冲方向不断发展，同轴相对论速调管放大器（RKA）成为近年来研究热点之一，然而其发展一直受限于自激振荡等问题存在，为此，设计一种高Q值单间隙同轴谐振腔，以抑制同轴RKA中TEM模式泄露引起的自激振荡。通过对单间隙同轴谐振腔TM₀₁模式与TEM模式转化进行理论分析与仿真模拟，发现同轴谐振腔上下槽深差值与轴向错位值对其Q值变化影响很大，当上下槽深差值与轴向错位值分别为0.3 mm和0 mm时，同轴谐振腔的Q值为极大值（18 764），意味着此时谐振腔中两种模式转化最小，多组谐振腔级联后自激振荡风险大大降低。将三组级联的高Q值单间隙同轴谐振腔应用于紧凑型同轴RKA，粒子模拟和实验结果表明，器件的输出微波功率稳定，频谱纯净，无自激振荡等问题存在。

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。

为了有效提高器件输出微波相位的稳定性，对S波段强流相对论速调管放大器输出微波相位特性开展了理论研究和优化设计。理论分析结果表明，束流发射和传输均匀性、腔内杂频和强流脉冲电压波动是影响器件输出微波相位稳定性的重要原因，通过优化二极管结构，增加吸波材料以及优化腔体结构和参数等手段可以有效地减小上述因素对输出微波相位稳定性的影响，提高器件工作的稳定性。对优化后的器件开展了实验研究，得到单台单次输出功率GW量级基础上，100 ns内相位标准差约10°，单台重频5 Hz工作输出微波相位标准差约20°，两台同时工作输出微波相位差抖动约20°的结果，满足了实际应用的需求。

相位特性是目前制约多注相对论速调管放大器进一步拓展应用的关键参数之一, 为了有效提高器件输出微波相位的稳定性, 利用一维非线性理论对X波段强流多注速调管放大器开展了理论研究, 得到由强流脉冲特性引起的腔体杂频以及电子束运动速度变化率是造成输出微波相位波动的部分主要原因, 同时基于18注实心电子束构成的X波段多注相对论速调管放大器开展了强流脉冲特性对输出微波频率和相位影响的数值计算, 最后利用粒子模拟手段对理论结果进行验证。理论和模拟结果一致表明: 强流脉冲的前沿和波动都将导致器件内实际工作频率的偏移, 并引起相位波动; 在脉冲前沿段, 脉冲前沿长度越短, 器件内实际工作频率偏移越大, 相位波动幅度越大; 在脉冲平顶段, 脉冲波动导致的频率偏移与电压变化率相关, 与电压的幅值无关, 而脉冲电压波动导致的输出微波相位波动由电压变化率及其变化幅度两者共同决定。

设计了一种能在S波段和C波段实现稳定输出的高功率相对论速调管放大器，并使用电磁粒子PIC程序进行了模拟研究。模拟结果表明：采用700 kV，4 kA的电子束，在注入微波功率340 kW、注入微波频率分别为2.8 GHz和3.2 GHz的条件下，通过合理选择输入腔和中间腔的结构和工作模式、调节器件输出腔的腔长，模拟实现了S波段(3.2 GHz)和C波段(5.6 GHz)分别为1 GW和490 MW的微波输出，束波转换效率分别约为35%和17%。

为进一步提高相对论速调管放大器(RKA)的工作频率和输出功率，开展了X波段GW级长脉冲多注RKA实验研究，对实验中出现的杂模振荡现象进行了模拟和实验分析。结果表明，电子回流是导致实验中出现杂模振荡的主要因素，采取了相应措施减少电子回流从而抑制杂模振荡，实现多注RKA输出微波功率约为0.98 GW，脉宽为95 ns，频率为9.405 GHz。