在大型功率合成阵列中, 为解决现有种子源输出功率不足的问题, 提出了利用相对论返波振荡器作为种子源锁定大间隙速调管放大器频率和相位的思路, 并进行了由一个相对论返波管驱动一个高功率注入两腔大间隙速调管放大器的理论和初步实验研究。实验结果表明: 大间隙速调管的频率被相对论返波管锁定, 两个微波源的实时相位差在单脉冲内锁定在±16°之内, 多脉冲间的相对相位差锁定在±11°之内, 锁相时间约40 ns; 在注入功率约22 MW时, 大间隙速调管的输出功率约230 MW, 增益约10 dB。

利用三维高频电磁软件和三维粒子模拟软件，对大间隙强流相对论速调管放大器中的二极管寄生振荡机制进行了模拟研究，发现由于6.18 GHz频点的高阶TM31模式在二极管区截止，故形成了谐振腔结构，进而对电子束产生强烈的调制，干扰了速调管的正常工作。结合模拟结果，提出了优化和改进措施。粒子模拟结果表明：二极管结构改进后，寄生振荡消失，束流调制效果得到显著改善。

利用3维高频软件对大间隙速调管输出腔及其同轴提取波导金属支撑杆进行了高频分析，建立了带双排金属支撑杆的大间隙输出腔3维结构模型，采用3维PIC程序对该输出腔的提取效果进行了粒子模拟。研究结果表明：作为输出腔同轴提取波导支撑的第二排支撑杆，和兼作输出腔腔壁的第一排支撑杆，都会影响输出腔的高频谐振特性，因此必须结合大间隙输出腔进行一体化设计；此时同轴提取波导支撑杆设计的基本原则不以追求最高的TEM模式传输效率为目的，而是通过控制双排支撑杆的散射特性，得到合适的外部品质因数和间隙电场强度。在注入电功率约2.9 GW，束流调制深度90%时，设计的带双排支撑杆的3.6 GHz大间隙输出腔结构，可提取约1.06 GW的平均功率，效率约36.5%。

利用高频电磁软件对带电子束收集极的S波段大间隙输出腔进行了高频特性分析，采用3维PIC程序模拟了电子束收集极对大间隙速调管输出效率的影响。研究结果表明：收集极的存在会改变输出腔的本征谐振频率和电子束路径上的特性阻抗等高频特性,但收集极可以短路间隙附近的径向电场，减小电子束的空间电荷压力，同时对群聚电子进行再加速，从而提高大间隙速调管的输出效率；在束电压700 kV，直流电流6 kA时，优化后的带收集极的大间隙输出腔可稳定提取大于1.68 GW的微波功率，提取效率约40.1%，比无收集极时提高约5%。

利用3维高频软件设计了一种用于S波段大间隙速调管的膜片加载大间隙单重入输出腔, 建立了带大耦合孔的输出腔3维全结构模型, 采用3维PIC程序对输出腔的提取效果进行了粒子模拟。研究结果表明：膜片加载的大间隙单重入输出腔开大耦合孔后, 其所有谐振频点的场分布都不再是TM011模式, 因此,在设计此类输出腔时不能以工作频点是否谐振为优化目标。提出了大间隙输出腔设计原则, 根据设计原则优化后的输出腔可稳定提取1.07 GW的平均功率, 提取效率约35.7%。

利用SUPERFISH软件设计了一种兼具大间隙速调管及三轴速调管优势的C波段大间隙三轴速调管,对所设计大间隙三轴速调管的束流传输及调制情况进行了2维粒子模拟研究。模拟结果表明,三轴速调管设计需要特别关注“模式泄露”问题以及谨慎选择内导体接地支撑杆的位置,以获得稳定传输的电子束。综合考虑上述两个条件,在440 kV的二极管电压下,5.0 GHz,200 MW的强注入功率可以获得11.8 kA的基频调制积分电流,束流调制深度88%,调制电流峰峰值大于40 kA,且调制电流具有良好的频率及相位稳定性。在此基础上,初步模拟得到了大于2.0 GW的平均微波功率,平均效率约33.8%。