磁控管之所以被广泛应用于雷达、能源等领域中,是因为它能产生很高的输出功率、电子转换效率高、相位稳定。至今为止,磁控管依然是主要的高功率微波源(HPM)之一。为了满足需求,需将它在大电流方向进行拓展,相对论磁控管(RM)得以发展起来。然而,在相对论磁控管发展的很长一段时间内,它的效率低的问题没有得到关注。传统的磁控管一般采用径向提取能量的方式,即在谐振腔的位置开一个或多个槽,然后再用波导耦合出能量。这种径向提取能量的特点,使得磁控管装置体积非常大,磁场系统也占用很大空间。为了满足现在对器件小型化的需求,一些学者提出了轴向输出相对论磁控管(MDO)模型。较之传统的相对论磁控管,MDO有很多优点。首先,在结构上,MDO是在轴向渐变延伸,辐射能量,不需要在径向开槽,所以在角向是对称结构。其次,省去了复杂的径向提取能量装置,从轴向上直接辐射能量可以简化磁场系统,具有小型化的特点。再次,MDO在角向的对称性,使得它可以工作在任何模式,并且,根据提取能量方式的不同,可以选择需要的输出模式,能量提取装置还起着模式转换的作用。最后,可以大功率提取微波能量,避免了径向输出能量时的微波击穿问题和一些参数限制,改善了普通相对论磁控管效率低的问题。为了满足小型化的需求、避免效率低对磁控管造成的一些不利影响,本文对MDO进行研究和设计。磁控管的谐振系统选用研究的比较多的A6型磁控管,阳极腔半径、高度、阴极半径都采用它的经典尺寸。喇叭天线部分采用槽型输出结构,采用理论和模拟相结合的研究方法。对磁控管的理论进行分析,在此基础上分析了MDO的一些特性、辐射模式和能量提取方式的关系。选择三腔输出结构,此时辐射的模式是TE01模。使用我国开发的粒子模拟软件CHIPIC对初步设计的MDO进行模拟,根据模拟结果对磁控管进行优化,优化后效率最高达到22.9%,考虑到透明阴极可以加快π模的起振,提高效率,所以将普通阴极改成透明阴极。改成透明阴极后,继续对磁控管进行优化,最终得到一个输出功率为436MW,电子转换效率为46.2%,工作频率为2.867GHz的MDO仿真模型。为了验证结果的准确性,将其与国外主流软件计算的结果进行比较,并且对两种软件的模拟时间和并行计算的时间相比。对比的结果表明,两种软件的模拟结果基本一致,但是CHIPIC软件支持并行计算,可以节省大量仿真时间。