提出了一种X波段过模低磁场高效率相对论返波管振荡器（RBWO），其主要结构包括一个双谐振腔反射器、一个周期性慢波结构和一个插入式同轴内导体模式选择器。该RBWO采用了过模结构，较大的过模比带来了更高的功率容量。慢波结构分为空心与同轴两部分，插入同轴避免了高阶模式的竞争，使两段慢波结构分别工作在TM₀₂和同轴TM₀₁模式下。同时，插入同轴还起着模式转换的功能，将TM₀₂转化为TM₀₁，最终在输出波导中输出纯TM₀₁模式。双谐振腔反射器使慢波结构在过模条件下与二极管区域能够实现良好隔离，同时为电子束提供足够的预调制，实现在低磁场下较高的微波转化效率。利用粒子模拟仿真对器件进行优化设计，在二极管电压850 kV、束流11.74 kA、引导磁场0.63 T的条件下，获得了3.5 GW的微波输出功率，微波中心频率为9.46 GHz，转换效率约为35%。

针对过模系数为2.3的高功率毫米波发生器设计了工作于高次模的谐振腔反射器。谐振腔反射器工作模式为TM035模式，在58~62 GHz频带内对TM01模式的反射系数大于0.9。运用2.5维全电磁粒子程序模拟分析了器件中束波相互作用过程，通过调整慢波结构与谐振腔反射器间的漂移段长度得到了器件在570 kV，6.0 kA电子注量驱动下，在引导磁场为4 T时，能辐射出功率1.06 GW、频率为60.2 GHz的毫米波，主要工作模式为TM01模，效率约为31%，起振时间为3.3 ns。

利用模式匹配方法对"冷"谐振腔反射器的反射特性进行了理论分析,推导出了谐振腔反射器的广义散射矩阵.对应用于X波段低磁场返波管的谐振腔反射器的反射特性进行了研究,并利用数值模拟软件分析了在全反射条件下谐振腔反射器中的电场分布.结果表明:当反射器的内外半径的选取合适时,反射器可以在较短的长度时获得较大的反射,而且反射系数对反射器长度的变化不敏感.

谐振腔反射器到慢波结构输入端之间的漂移段长度对返波管效率有较大影响,文章对该影响进行了理论分析和数值模拟.结果表明:由于谐振腔反射器对电子束的预调制作用,返波管输出功率随漂移段长度的增加而呈现多峰值现象,在选取合适的漂移段长度时,可以显著提高其微波产生的效率.在SINUS-881加速器上开展实验,在引导磁场为0.7 T,漂移段长度为4.9 cm的条件下,实验获得了功率为700 MW,频率为8.7 GHz,脉宽20 ns的微波输出,效率约14%.实验研究证实了模拟结果的正确性.