在高功率微波器件研究中,对任意器件,其输出功率均不可能是无上限的。而当前技术应用和研究中,对功率的需求越来越高。针对这一需求和现状,提出了将多个器件叠加[1]起来的思路。因此受这种叠加思路和高功率需要的影响,速调管在高功率微波器件领域得到了广泛的关注。目前研究的强流相对论速调管普遍采用三腔结构,三腔结构速调管不仅结构简单、易于调节,而且不容易产生振荡,保证了输出微波的稳定性;但缺点是增益有限(~30dB)。为降低工程压力,提高速调管增益,采用的四腔高增益相对论速调管可以满足工程应用的需求,但是面临模式控制的技术问题。论文针对这些问题,对四腔相对论速调管进行了理论分析、粒子模拟和实验研究。并对影响四腔强流相对论速调管输出微波稳定性的因素(如电子回流、高次模振荡)进行详细分析。首先,通过空间电荷波理论,详细描述了速调管的束腔互作用过程,分析了速调管的基本工作原理。并利用谐振腔的场建理论,结合速调管输入腔、中间腔、输出腔的不同功能,建立相应的等效电路模型,将束腔互作用过程通过简单的电路知识形象的描述出来。为模拟和实验提供了形象的理论支撑。其次,通过粒子模拟完成了四腔强流相对论速调管的设计。根据现有指标对如何适当选取电子束参数(束压、束流、尺寸)以及聚焦磁场进行了详细的分析;完成了输入腔、中间腔及输出腔的设计。并针对模拟过程中出现的影响输出微波稳定的因素进行分析。理论分析了模拟中出现的电子回流及高次模振荡现象的产生原因,探索了抑制措施,并通过模拟进行了验证。为达到既抑制电子回流和高次模振荡又不影响输出微波功率的目的,设计了阶梯结构漂移管。最终频率2.88GHz情况下,注入微波功率为10kW时,模拟获得了3.74GW[1]的输出微波,效率22%,增益56dB,1dB带宽74MHz,成功完成了四腔强流相对论速调管的整管模拟设计。最后,在LTD加速器上开展了S波段四腔相对论速调管的实验研究,并采用模拟过程中探索的抑制措施,有效抑制了电子回流及高次模振荡。在注入微波功率为kW级、频率2.88GHz条件下,获得了增益61dB、效率24%、脉宽80 ns的稳定微波输出。