轴向输出相对论磁控管是目前最紧凑的窄带高功率微波源,其最重要的组成部分之一是轴向输出结构,它是磁控管在轴向的自然延伸,所有的叶片和谐振腔（部分和全部谐振腔）在轴向光滑地渐变到喇叭天线,然后通过圆柱波导由喇叭天线辐射出能量。相对于径向输出相对论磁控管而言,轴向输出相对论磁控管具有结构紧凑、高阻抗、角向均匀性、高功率输出等一系列优点。此外,还可以通过改变谐振腔过渡的数量,使工作在π模式的轴向输出相对论磁控管直接输出纯度较高的TE₁₁、TE₀₁、TE₃₁模式。本文首先介绍了径向输出相对论磁控管和轴向输出相对论磁控管的研究现状和发展趋势,并分析了目前能较有效地提取微波能量的三种输出结构—劈型输出结构、槽型输出结构和梯型输出结构,由仿真结果知,在相同的过渡段倾角下劈型输出结构的能量耦合效率最低。其次,通过CST软件和MAGIC软件对能量耦合效率较高的槽型输出结构和梯型输出结构进行了冷腔和热腔模拟,再根据测试系统对输出结构的特殊限制,提出了另一种能量耦合效率较高的输出结构（组合输出结构）,并对其进行了冷腔、热腔优化。最后,通过比较三种输出结构—槽型输出结构、梯型输出结构和组合输出结构,本文最终选用了仿真特性较好的梯型输出结构和组合输出结构作为实验研究对象,整个器件的设计总长度为428mm,输出端圆柱波导的半径为73.8mm。在外加电压600KV,外加磁场0.47Tesla的三维粒子模拟下实现整个器件在S波段π模式的稳定工作,得到器件的转换效率为35.6%,相应的输出功率为1.7GW,辐射模式为TE₍010模。为了对轴向输出相对论磁控管进行实验验证,本文对梯型输出结构组合输出结构中仿真结果较好的几种进行了加工和实验验证。在电子科技大学强辐射试验室的EPA-90脉冲加速器和俄罗斯磁场系统下,加速器工作在电压592KV,电流11.2KA时,得到整个器件的微波辐射功率322MW,辐射频率为2.6GHZ。