针对高功率微波器件的低磁场小型化发展需求，设计了工作在S波段的低磁场紧凑型相对论磁控管，建立了三维仿真模型。设计衍射输出结构，输出模式为TE₁₁模。在圆波导中TE₁₁模具有最小的截止半径，因此选取TE₁₁模输出比高阶模输出具有更小的波导半径。分析了磁控管的输出性能随磁场、输出波导半径和倾斜角的变化规律。在磁场0.34 T、电压352 kV条件下，模拟仿真结果显示磁控管输出功率达到567 MW，功率转换效率为62.5%，在频率为2.37 GHz时波导半径仅为77.5 mm。

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。

相对论电子轰击阳极产生二次电子和释气以及释气电离产生的击穿现象是限制全腔轴向提取透明阴极磁控管（TCMAC）工作性能的一个重要因素。本研究对TCMAC中轰击产生的阳极二次电子以及释气电离现象进行了物理建模以及三维数值模拟研究，考察了其对TCMAC运行性能的影响。初步计算结果表明，二次电子发射与阳极释气对TCMAC工作都有一定影响，释气后电离产生的正离子数大于系统中电子数时，会导致TCMAC击穿。

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。