采用基于同轴结构^[1]与大半径的慢波结构相结合的高功率微波振荡器技术方案,不仅有利于提高器件功率容量与转换效率、而且具有阻抗较低、工作模式成分简单、低导引磁场工作等优点,有望解决高功率微波产生器件高效率与长脉冲运行之间的矛盾及其它在实际应用中遇到的难题。高功率微波产生器件工作在X波段等高频段,可有效提高系统的pf²因子,延长其作用距离。此外,在一定输出功率水平上实现长脉冲输出,可进一步增加其输出微波的脉冲能量,增强系统的作用效果。因此,研究X波段长脉冲高功率微波振荡器具有重要的意义。本文提出了一种X波段大半径同轴相对论振荡器并对其开展了相关研究。由于相对论振荡器作用机制比较复杂,因此从切伦科夫和渡越辐射两种理论出发进行分析。论文的研究内容主要包括了以下几个方面:首先,基于切伦科夫辐射理论,对X波段相对论振荡器的一些相关理论和其特性进行了理论推导和研究。利用电磁场和数学物理方法相关理论,推导得到了同轴深腔的相对论器件慢波结构中TM模式的色散方程,再结合MATLAB软件,研究了同轴深腔的相对论器件无限长慢波结构的色散特性,对比了无限周期冷腔结构、有限周期热腔结构与数值求解得到结果的差距,探究了慢波结构中的几何参数对器件工作频率的影响。为之后的结构设计提供了理论依据,并对进一步开展X波段相对论振荡器的研究工作具有非常重要的指导意义。其次,基于渡越辐射理论,详细推导和研究了该器件的理论和特点。利用模式匹配方法,求解渡越腔中电子束通过位置上的电磁场分布及谐振频率,分析结构参数对谐振频率的影响;求解电子束耦合系数与归一化电导,分析探讨调制腔的模式选择,分析求解渡越器件的工作电压范围。在理论分析和数值计算的基础上,对X波段相对论振荡器进行粒子模拟仿真的研究,在电子束电压628 kV,电子束电流16 kA,导引磁场0.7 T的前提条件下,得到了在9.24GHz下的3.9GW的高功率微波输出,效率约为39%,器件工作模式为TM₀₁模式,饱和时间为20ns左右,此大半径同轴结构器件具有径向器件和非同轴器件所无法兼顾的高功率高效率长脉冲的优点。同时分析研究了各结构参数和工作电参数对微波输出的影响。最后对器件进行了初步的实验设计。