提出了一种具有阴极帽结构的L波段相对论磁控管的设计方案，并给出了数值模拟结果。在相对论磁控管中引入阴极帽是为了降低轴向泄露电流并提高功率转换效率。三维粒子模拟用于研究引入阴极帽后产生的影响。结果显示，当在束波互作用区域的上游和下游同时添加阴极帽，并且将阴极延伸出阳极块结构，直至衍射输出结构时，轴向泄露电流不仅会从1 kA降至72 A，且功率转换效率会有明显提高。虽然如此，阴极帽的引入除了以上优点外，同样会带来微波反射。因此，阴极帽的半径和位置对于效率有至关重要的影响，它们之间存在一个最优数值来保证效率最高。当电压为563 kV, 磁场为0.34 T时，轴向衍射输出结构L波段相对论磁控管输出微波功率为2.13 GW，频率为1.59 GHz，相应的功率转换效率为75.5%。

以实现GW级高功率微波源长时间稳定运行为目标，利用应用电子学研究所小型化Marx型脉冲功率源平台开展了L波段六腔衍射输出相对论磁控管长时间稳定运行实验研究。首先介绍了L波段六腔衍射输出相对论磁控管基本结构及长时间稳定运行实验装置基本情况，接着给出了测试系统布局及各参数测试方法，最后给出了实验研究结果：所研制的L波段衍射输出相对论磁控管在输出功率大于1 GW、重复频率10 Hz的条件下实现了超过55 min的长时间稳定运行，输出微波模式稳定，无竞争模式出现，中心频率为1.57 GHz。

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。

随着磁控管的发展，磁控管中的模式关系变得愈发复杂，模式间的竞争也愈发激烈。为了更好地进行磁控管的模式研究，基于本征模的正交性，推导并提出了一种模式分解的方法，并以A6型相对论磁控管作为研究对象，对其不同振荡状态下的工作场进行了模式分解的应用。结果表明，相对论磁控管振荡时，将会出现多模共存的现象，且磁控管将会振荡在成分最高的本征模频率上。同时，结果中展现了简并模式同时存在，以同趋势振荡的现象，结合PIC模拟方法，确定了具有径向输出结构的相对论磁控管能够在简并模式振荡的情况下，能够实现稳定的输出。

对全腔输出半透明阴极相对论磁控管做了进一步的改进，并对其进行了物理分析和三维全电磁粒子模拟研究。通过半透明阴极结构的改进，即改变阴极角向方位和阴极发射面高度参差设计以及局部参数优化，使得在较宽的工作参数范围内，器件起振初期可能出现的模式竞争得到抑制，起振时间进一步缩短，同时输出效率得到较大提高。在注入电子束电压和电流分别约为518 kV和4.1 kA、外加磁场为0.575 T时，模拟在S波段获得了效率大于66%、功率约1.42 GW的微波输出。同时还给出了电子束电压和外加磁场等参数在一定范围内变化时对输出性能的影响规律。研究结果可应用于高效紧凑型相对论磁控管的实验研究。

透明阴极技术对相对论磁控管振荡启动过程具有显著影响，但其加速启动过程的作用机理仍有待深入研究。对采用扇形单元透明阴极的L波段相对论磁控管进行数值模拟，分析了场分布模式和带电粒子空间运动规律，发现透明阴极与实心阴极在磁控管振荡启动过程的差异。可见透明阴极带来的静电场角向分量与外加轴向磁场引起的洛伦兹力，对初始工作状态的电子具有向阳极加速漂移的作用。采用透明阴极的相对论磁控管的电子轮辐外缘更贴近阳极，群聚电子在轴向上具有随距离连续变化的速度分布，使得电子与高频电磁场的能量交换更加充分。对扇形阴极单元的个数与张角组合的匹配效果进行了模拟，给出了磁控管振荡建立阶段静电场角向分量对阴极电子发射与漂移运动的作用规律。透明阴极的设计需要与磁控管慢波结构相匹配，以得到最优化的工作状态。