随着高功率微波技术的发展，频率可调谐已经成为高功率微波源一个重要的发展方向。相对论磁控管由于具有结构简单、效率高、适合长脉冲和高重复频率运行等特点，同时具有频率可以方便调谐的特点，成为目前重点研究的高功率微波源之一。本论文对基于旭日型谐振腔结构的频率可调谐轴向输出相对论磁控管从理论分析、粒子模拟和器件设计等方面开展了研究工作。主要研究内容如下：首先，利用场分析法详细推导了影响工作频率的关键结构-扇形腔旭日型磁控管结构的色散关系以及场函数表达式，并推广到了一般情形，即由β+1组不同形状和尺寸的谐振腔组成的旭日型磁控管的色散关系，分析了各项结构参数的变化对π模截止频率和模式分隔度的影响。研究表明：理论得到的π模截止频率和模拟得到的π模截止频率之间的相对误差不到1%；π模截止频率fπc与阴极半径Rc，阳极半径Ra，大腔张角θ1成正比关系，与小腔半径Rd0，大腔半径Rd1，小腔张角θ0成反比关系；径向结构参数对频率的影响由大到小依次为：阳极半径，大腔半径，小腔半径和阴极半径；角向结构参数中，大腔张角对频率的影响较大，小腔张角对频率的影响较小。另外，模式分隔度γ与大腔半径Rd1成正比关系，与阴极半径Rc，小腔半径Rd0，小腔张角θ0成反比关系，随阳极半径Ra或大腔张角θ1的增大先增大后减小。针对相对论磁控管的可调谐性，分析了10腔旭日型谐振腔结构和调节小腔半径的机械调谐方式运用在可调谐相对论磁控管中的可行性。其次，提出了一种频率可调谐轴向输出相对论磁控管结构，采用高频场分析软件与三维粒子模拟软件对扇形腔旭日型磁控管的工作特性进行了仿真分析和粒子模拟研究，优化了相对论磁控管的轴向输出结构，在电压350kV，电流6.17kA，磁场0.3T的工作参数条件下，输出功率为868MW，功率转换效率达到40%，π模谐振频率为3.34GHz，输出端口的辐射模式为TE51。对器件的频率调谐特性进行了分析，当电压为350kV，磁场为0.3T时，小腔半径从25.1mm变化到36.1mm，π模谐振频率变化范围为2.98~3.72GHz（相对带宽约20%），输出功率均大于530MW，功率转换效率均大于20%。对器件的频率特性进行了改善，通过适当调节工作参数，相对论磁控管在相对带宽约20%以内，最低输出功率由530MW提高到600MW，最低功率转换效率由20%提高到26%，最高功率转换效率保持为40%。最后，对器件进行了工程设计，提出了器件的频率调谐机构、真空密封以及磁场系统的工程设计方案。