为了实现高功率微波源低磁场及长时间稳定运行，开展了S波段GW级多注相对论速调管放大器（RKA）的理论模拟设计与实验研究。首先，采用一维大信号非线性理论软件优化设计了S波段4腔多注RKA，找到了器件工作的最佳参数：采用电压550 kV、束流4.7 kA的14注RKA，获得功率1.1 GW、效率43%的输出微波。随后，采用粒子模拟软件对理论设计的束波互作用参数进行了验证，获得了输出功率992 MW，器件效率为37%。最后，根据模拟参数开展了器件重频长时间运行实验研究。采用紧凑同轴Marx功率源驱动S波段四腔多注RKA，在电压530 kV、束流5.4 kA、重频20 Hz、运行时间1 s、引导磁场强度0.39 T、注入微波功率1.7 kW的条件下，获得了功率934 MW、脉宽69 ns的输出微波，束波转换效率33%。在器件重频20 Hz、运行时间10 min条件下，坚实了平均功率889 MW、平均脉宽42 ns的输出微波。该研究结果为S波段RKA的低磁场和长时间运行打下了的技术基础。

为了进一步提高S波段高功率强流长脉冲相对论速调管放大器(RKA)的重复频率稳频稳相运行的性能，采用实验结合理论和模拟的方法，分析了其主要制约因素，特别分析了造成器件脉冲缩短和重复频率运行不稳定等问题的根源。研究结果表明，RKA中的中间腔和输出腔的电子反射、电子散焦轰击腔体鼻锥是造成脉冲缩短、重复频率运行不稳定的主要根源。通过采用大漂移管半径的器件结构、在漂移管中加载吸波材料以及引导磁场位形、采用电子发射较均匀的碳/碳复合阴极材料等措施，使杂频振荡、脉冲缩短和重复频率工作不稳定性等问题得到了明显减轻，输出微波相位稳定性得到显著提高。采用电压830 kV、束流7.7 kA、脉宽190 ns的环行电子束驱动S波段3腔RKA，重复频率25 Hz运行得到了峰值功率1.55 GW、脉宽163 ns、相位抖动18°（rms）的输出微波。