为了发展一种同时具有结构紧凑、频率可调谐、输出模式低阶可控、敏感性参数（指较小变化引起高功率微波源功率转换效率较大变化的参数）较少、功率转换效率较高等特点的高功率微波源,本课题提出了一种基于全腔提取结构的改进型同轴相对论磁控管,并分别从理论、模拟和实验方面对其开展了系统深入研究。论文的主要研究结果如下:（1）对基于全腔提取结构的改进型同轴相对论磁控管开展了相关的理论研究。首先基于亥姆霍兹方程和场匹配法,推导了具有扇形和矩形腔结构的旭日型磁控管的色散关系,并将该色散关系推广到了具有任意形状和尺寸的多类型组合腔结构的旭日型磁控管,且该色散关系将多种类型磁控管的色散关系归纳为统一的表达式,具有普遍意义。然后基于亥姆霍兹方程和场匹配法,首次推导了具有全腔提取结构的相对论磁控管产生同轴TEM模式、左旋和右旋圆极化TE_n1模式的必要条件,并将该模式激励条件推广到了具有任意类型周期对称腔提取结构的相对论磁控管,且该模式激励条件适用于所有可能激励的模式,为该类相对论磁控管实现任意给定模式的单模输出提供了理论基础,具有普遍意义。最后基于相对论磁控管的截止条件和起振条件,从给定的工作电压、磁场、频率、模式号数等工作参数出发,推导了谐振腔结构的参数取值条件,并给出了相应单调性分析的结论。该理论分析以逆问题思路（从工作参数到结构参数）为出发点,所得结果适用于任意类型谐振腔结构的相对论磁控管,为相对论磁控管谐振腔结构的设计提供了新的方法。（2）对基于全腔提取结构的改进型同轴相对论磁控管开展了相关的模拟研究。首先对该器件输出同轴TEM模式进行了模拟研究。模拟分析表明,该器件具有结构紧凑、频率可调谐、输出模式低阶、敏感性参数较少、功率转换效率较高等特点。然后首次对该器件分别输出同轴圆极化TE₁₁模式和同轴圆极化TE₂₁模式进行了模拟研究,模拟验证了理论分析的正确性。最后对基于周期对称腔提取结构的改进型同轴相对论磁控管开展了模拟研究。研究结果表明,与全腔提取结构相比,周期对称腔提取结构不仅具有全腔提取结构的优势,而且能更容易地实现同轴线极化TE₁₁模式输出,且在此基础上能更容易地实现更高频段的输出。同轴TEM模式输出的典型模拟结果为:在外加电压为220 kV、外加轴向磁场为0.4 T的条件下,得到了工作频率为4.3 GHz、输出功率为480 MW的微波输出,功率转换效率为56.8%。同轴圆极化TE₁₁模式输出的典型模拟结果为:在外加电压为280kV、外加轴向磁场为0.4 T的条件下,得到了工作频率为4.2 GHz、输出功率为422MW的微波输出,功率转换效率为49.1%。同轴圆极化TE₂₁模式输出的典型模拟结果为:在外加电压为340 kV、外加轴向磁场为0.4 T的条件下,得到了工作频率为4.056 GHz、输出功率为558 MW的微波输出,功率转换效率为49.9%。同轴线极化TE₁₁模式输出的典型模拟结果为:在外加电压为220 kV、外加轴向磁场为0.4T的条件下,得到了工作频率为4.4 GHz、输出功率为208 MW的微波输出,功率转换效率为46.6%。（3）对基于全腔提取结构的改进型同轴相对论磁控管开展了相关的实验研究。首次在实验上分别实现了同轴TEM模式和同轴圆极化TE₁₁模式的准单模输出,对理论和模拟计算的微波频率和微波模式进行了验证。同轴TEM模式输出的典型实验结果为:在外加电压为293 kV、电压脉宽为80 ns、外加轴向磁场为0.48T的条件下,得到了工作频率为4.3 GHz、输出功率为309 MW、脉宽为50 ns的准单模微波输出,功率转换效率为20.6%。同轴圆极化TE₁₁模式输出的典型实验结果为:在外加电压为302 kV、外加轴向磁场为0.32 T的条件下,得到了工作频率为4.21 GHz、输出功率为203 MW的准单模微波输出。