近年来超材料理论与应用研究已经成为国际上一个热门研究方向,在一些发达国家,对于超材料的研究已经被列入重要的战略位置,基于超材料的微波器件的设计研究就是其中一个重要分支。基于超材料设计的新型真空电子器件相对于传统的电真空器件而言具有注波互作用效率更高,小型化及单元结构简单易加工装配等优势。其中,基于超材料的返波振荡器结合了超材料和传统返波管的特性,较好的体现了上述优势。本论文的主要研究目标是设计出一种工作于S波段的新型微波辐射源器件。首先,文章介绍了具有负电磁特性的细金属棒(Rod)结构和互补开口谐振环(CSRR),在此基础上,将两者结构进行合理演变,获得本文所研究的具有负电磁特性的单元结构。通过仿真计算分析,并与传统耦合腔结构进行对比,确定了新型结构的优势所在。接着将该结构应用于新型微波辐射源慢波结构的设计中并给出了耦合环输出装置和矩形波导输出装置两种输出装置的设计方案,对于慢波结构的几何参量也通过仿真计算进行了优化。最后,针对聚焦磁场的设定与起振电流的大小,通过仿真计算对比给出了合理取值范围。最终获得了工作于S波段,峰值输出8.8MW,电子效率36%,相较于传统返波器件(1%到15%)具有更高电子效率的新型辐射源器件。本论文的主要研究内容可分为4个部分:1、具有负电磁特性的单元结构的设计。将构成单负特性的经典结构合理组合演变,获得一种新的具有负特性的单元结构,通过仿真计算对其电磁特性进行了详细分析,并与传统耦合腔结构进行对比,确定了该结构的优势。2、慢波结构及耦合输出结构的研究。选取几个电压工作点,通过仿真计算对慢波结构的周期长度与周期个数进行优化,以获得高的输出功率和小的器件尺寸。在已有的耦合环输出结构的基础上,对慢波结构中的场分布进行分析,设计出更易装配,耦合输出效率更高的矩形波导输出结构。3、器件电参数的研究。同时,对于确定的器件结构,通过仿真计算给出合理的聚焦磁场和器件稳定工作电流的大小,方便后续实验工作的开展。4、单元结构的变形扩展研究。基于实现更高的输出功率,论文给出了具有更高耦合阻抗和更宽的可工作频带的结构设计方案,并指出了其优势所在。