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追求更高功率、更高频率的微波输出是高功率微波（High Power Microwave,HPM）技术领域的重要发展方向。然而,HPM源的输出微波功率水平受到单管功率容量的限制,难以突破10 GW量级,研究人员提出采用多个微波源进行空间相干功率合成的解决方案。通过相干功率合成,N个具有锁频锁相特性的HPM源能够在远场实现N ~2倍的等效功率输出。三轴相对论速调管放大器（Triaxial Klystron Amplifier,TKA）具有高功率、高增益及输出微波频率稳定、相位可控等特性,是高频段HPM相干功率合成的优选器件之一。目前,TKA的研究主要集中在X波段且器件工作磁场强度较大（X波段TKA的典型工作磁场大小约为1T）,为将TKA拓展向更高频段（如Ku、Ka波段）并探索TKA的小型化永磁封装,本文拟研究一种Ku波段低磁场TKA。论文主要研究内容和结果如下:首先,系统分析了TKA束-波相互作用谐振腔的谐振特性参数和束-波换能参数的作用效果并给出了相关参数的计算方法,为TKA高频电磁结构的理论分析、结构设计和优化仿真奠定了物理基础。其次,研究了低磁场条件下强流相对论电子束（Intense Relativistic Electron Beam,IREB）的导引问题;设计了高吸收效率注入腔、两级级联式调制腔和单间隙驻波提取腔,给出了各个部件的设计方案和优化方法并对Ku波段TKA器件进行了整管优化仿真。最终,在电子束电压500 k V、电流4 k A,注入功率10 k W,导引磁场0.5 T的条件下,获得了频率14.25 GHz,功率710 MW的HPM输出,器件效率和增益分别为35.8%、49.4 d B。再次,对TKA反射器工作机理进行了系统性的理论研究,指出反射器的本质是谐振频率在器件工作频点附近的高阶模谐振腔;给出了反射器的设计和优化方法;指出多反射器TKA结构中为避免反射器间能量耦合振荡导致器件频率失锁,应尽可能增大调制腔前反射器本征谐振频点间的频率间隔,并保证各反射器的微波衰减效率不低于-25 d B。最终,将上述Ku波段TKA的束-波相互作用谐振腔TEM模隔离方式由吸波材料衰减方式改变为反射器反射抑制方式,在相同的工作参数条件下,器件输出功率为650 MW,在100 ns的时间内器件输出微波频率相位锁定良好,未观测到杂频起振现象。而后,进一步研究了X波段TKA非旋转对称模式自激振荡机理;鉴于调制腔中电子束负载电导（Ge/G0）为负值的本征TM模式起振是导致TKA非旋转对称模式自激振荡的根源,本文我们拟设计一种TM模式自激振荡风险低的调制腔;研究表明单间隙调制腔对TKA非旋转对称模式自激振荡具有主动抑制效果,核心原因是单间隙调制腔中所有非旋转对称TMn11模的Ge/G0均为正值,不存在自激振荡风险;我们利用级联式的单间隙调制腔对X波段TKA初始结构进行了改进设计,三维粒子模拟结果显示改进结构中未观测到任何非旋转对称模式自激振荡现象;进一步,我们对本论文提出的Ku波段TKA进行了类似的三维粒子模拟仿真验证,仍未观测到任何非旋转对称模式自激振荡现象;上述研究结果表明单间隙调制腔对非旋转对称模式自激振荡具有优异的主动抑制效果。最后,本文对小型化永磁封装的Ku波段TKA进行了初步的仿真研究;通过二极管结构的优化设计、注入腔轴向翻转、引入TEM模正反馈能量耦合等方式,器件工作所需磁场均匀区长度由32 cm缩短为19.6 cm,缩减幅度达39%;最后,在电子束电压340 k V、电流4.2 k A,注入功率15 k W,导引磁场0.5 T的条件下,获得了频率14.25 GHz,功率400 MW的HPM输出,同时器件锁频锁相效果良好。在此基础上,我们采用纯轴向充磁的钕铁硼N50M对器件永磁导引系统进行了初步仿真设计;经优化,在轴向磁场0.5 T前提下,永磁导引系统磁钢外半径为17.8cm,轴向长度为29 cm,磁场均匀区长度不小于20 cm,总重量约为188 kg;将永磁导引系统产生的磁场代入CHPIC程序进行联合仿真,器件工作稳定、输出功率约为392 MW,充分验证了上述永磁导引系统的有效性。